數位控制/再生能源雙管齊下　可攜式裝置電源如虎添翼

圖1 可攜帶式裝置的電源管理配置

除此之外，燃料電池，無線能源傳輸也是重要的課題。因此若能順利掌握電源端的電源管理，以及善用再生能源與其他不同電源，不但可讓可攜帶式裝置的使用時間增加、能源的使用率增加，更有可能達到降低成本的設計。  

善用電源管理技術　可攜式裝置應用增色  

一般而言，可攜式裝置系統如圖2，其中電池為主要的供電裝置，並透過切換式電源轉換器(Switching Power Converter, SPC)與線性穩壓器(Linear Regulator)的穩壓後送到不同的電路。

圖2 典型可攜裝置的電源系統分布

在一般設計中，數位訊號處理器(DSP)與中央處理器(CPU)，或是記憶體(Memory)這類的數位電路對雜訊的抵抗能力較強，所以可以使用SPC當電源；但是其他無線通訊模組如全球行動通訊系統(GSM)、藍牙(Bluetooth)等，就因為雜訊對效能的影響很大，而須使用低壓降穩壓器。相較之下，SPC的效率較高，可達85～75%，而低壓降穩壓器的效率則低至70～50%，若從電池端來看，整體電量透過轉換後將低於70%，這也使得可攜式裝置的使用時間大幅減少。  

再生能源兼具環保/便利優勢

如圖3所示，當新系統加入再生能源後，可有效增加使用時間，所以雖然負載端沒變，但由於電源端多了太陽能與風力發電，於是可以提升電源端容量達20～70%，也就等於可以提升使用時間20～70%，或是減少電池的體積或重量達20～70%。此外，再生能源的取得成本較低，且又具環保效益，因此再生能源更顯重要。

圖3 加入再生能源的電源系統架構

事實上，電池容量、體積與重量一直是可攜式裝置難以突破的問題，直到最近燃料電池(Fuel Cell)的出現才算有解。燃料電池對可攜式裝置可以提供長久的電能、較輕的重量，而且只須補充燃料、不用充電，亦具有模組化之便利優勢。燃料電池有許多種型式，如表1所示，需要低工作溫度與耐震才可以達到隨身攜帶要求。

電源基本上可以分為穩定(Stable)與變動(Variable)兩種，穩定電源通常有一個固定的電壓或是電流輸出，不隨供應的功率改變，變動電源則隨供應的功率改變其輸出的電壓與電流。  

穩定電源如電池、電源供應器與電源轉接器，都可提供一穩定的電壓，這類的電源要轉換成不同的電壓極為容易，只要使用直流對直流轉換器(DC-DC Converter)就很容易達到。穩定電源最大的優點為可以當成一個定電壓源或定電流源(Constant Voltage/Current Source)，這種特性讓設計與分析很容易，加上電子元件特性優良使得實作電路效能也較為亮眼。如圖4所示，假如有裝置需要的電壓比電源電壓低時，可以使用降壓式(Buck)直流轉換器，理想的設計上是把高輸入電壓轉換成低輸出電壓，輸入電流比輸出電流低以達到輸入功率等於輸出功率，實作電路如圖5，一般的效率約85～75%。

圖4　降壓式直流轉換器架構

圖5　降壓式直流轉換器與其主要波形

變動電源如太陽能電池(Photovoltaic Cell/PV Cell)、風力發電機、燃料電池、無線電源傳輸等皆隸屬此類。變動電源因為能量來源不穩定，都造成變動電源須要進行最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)來達到從電源端轉換最多的能量到負載端。圖6是一般的太陽能電池的電路模型，可以看出這是一個隨溫度、照度改變的電流模型。圖7為其輸出特性曲線。在相同的照度下從圖7(d)曲線可以看出溫度越低則最大功率點越高，而圖7(b)中，在相同的溫度下照度越強則最大功率點越高，當溫度與照度一起變動時，最大功率點可以在圖7(b)中虛線部分變化，這使得負載端要直接使用最大功率點的電能會很困難。

圖6　太陽能電池電路模型

圖7　太陽能電池特性

圖8展示一般水平軸永磁式風力發電機的原理，可以推出風速跟發電量成三次方比，也就是說當有一時速20公里的風速增加至40公里時，發電量可以產生八倍。因為風速只要些微改變就可以大幅改變輸出電量，這也代表著最大功率的變化對風速有很大的改變。圖9指出雖然風力發電機與溫度沒直接關聯性，不過風速的改變會使得最大功率移動範圍變大，直接使用之效率也隨之降低。

圖8　水平軸永磁式風力發電原理

圖9　水平軸永磁式風力發電機特性

無線電源傳輸漸為人知  

無線電源傳輸(Wireless Power Transmission)也是最近一個很熱門的話題，這個技術的優點在於不須要使用電線傳輸電源、毋須為各種不同的產品找電線與插座，對於可攜式裝置的移動性更是增色不少。現有的無線電源技術主要採用磁耦合與微波傳輸兩種，微波傳輸用於數百公尺至數百公里的長距離大電力的傳輸，磁耦合則用於300瓦以下數公尺的電力傳輸。  

圖10為無線電源傳輸的輸電原理，不過由於磁場的感應涉及複雜的馬克斯威爾方程式推導，並且當有多個負載端(圖10中的二次側線圈)存在時，可能造成多個最大功率點，在此僅列出關係式以表示傳輸的能量與兩線圈之間的距離、角度與二次側線圈的面積有關。

圖10　無線電磁感應傳輸

當然，燃料電池也可使用最大功率點追蹤來增加使用時間，圖11為燃料電池發電原理特性曲線。從圖11(b)可以看到最大功率點會受到溫度的影響隨之改變，此外其他的環境影響也是會改變最大功率點，如工作溫度、燃料濃度、燃料壓力、電極型式等。

資料來源：European Journal of Scientific Research 圖11　燃料電池的特性曲線

最大功率點追蹤扮要角  

不論是在再生能源，或是無線電源傳輸中，最大功率點均扮演重要角色。對於只有一個最大功率點的電源而言，其追蹤的方式目前以擾動與觀察(Perturbation and Observe)演算法最常使用。圖12為擾動與觀察式的最大功率點追蹤原理，簡單的說就是當功率點在P1時給予一個擾動，等到P2時發現dP/dV>0表是電壓增加功率也增加，於是再增加功率輸出，一直增加到P3時發現dP/dV<0，表示電壓增加可是功率輸出卻減少，於是在把P3降低電壓點往回拉，直到又發現dP/dV>0，這時P4點就是最大功率點。

圖12 最大功率點追蹤原理

最大功率點演算法在大功率的系統成本與效能都所費無幾，很容易實現，但是在可攜式裝置應用時，因為要求輕薄短小與低成本，這些問題就要考慮。  

電源管理不可忽視  

然而，這麼多種不同的電源，要同時使用並不容易，在設計上也須多加注意。首先依電源是否穩定分類，穩定電源僅用直流轉換器即可，但是變動電源要作最大功率追蹤。第二，決定供電的優先順序，再生能源應為優先，若同時有多個再生能源時，依照系統不同的考量決定，可以效率最高或是最大電源容量優先；而若所有再生能源已供最大功率時，不足部分再以穩定電源補足。這邊要注意的是，會有部分變動電源無法達到最大功率，因此必須設計避免最大功率追蹤之控制。  

負載型式不同需要不同的管理策略，系統中有電池時，就要考慮電池的充電與放電特性，一般電池有三階段充電要注意，若是沒電池又有多電源直接對負載供電時，電容器這種響應快速又可以暫存能量的裝置可以多加使用。  

另外，漣波電流對燃料電池影響很大，造成電子遷移時會對電池產生永久性的機械傷害，所以燃料電池的轉換器必須小心設計以延長使用壽命。  

數位電源有效管理  

由前文可以得知，電源端管理繁瑣又複雜，類比控制無法達到所有要求，於是數位電源管理便有實行必要。一般而言電源數位化後可以降低管理複雜度，並提升控制精確性，但傳統簡單的電路如降壓轉換器或是低壓降穩壓器，則因為成本低、架構簡單，數位化後反而增加設計難度與成本。雖然如此，數位電源在可攜帶式裝置的多電源管理時仍可發揮諸多好處。除此之外，數位化的電源方便系統監控管理，讓很多目前已有的綠色能源管理機制可以實現。  

進階組態與電源介面(Advanced Configuration and Power Interface, ACPI)是一個常用在個人電腦(PC)或筆記型電腦的管理協定；近年來發展的功率管理匯流排(Power Management Bus, PM Bus)協定無法用低成本的類比電路實現，使用數位化電源就可以簡單的實現這些協定。  

最大功率點追蹤發揮電源最大效益  

假如有一系統規格如表2， 這是一個可以同時接收太陽能與風力的系統，以這兩個再生能源為主要優先，不足的部分再以電源轉接器或通用序列匯流排(USB)接頭來對電池充電。對於可攜式裝置而言，太陽能與風力的電能都很小，尤其是太陽能電池的面積可能只有5毫米×5毫米，而且使用者可能在室內與室外移動，這將使得接收的能量很不穩定。同樣的問題也發生在風力發電上，假如使用者在騎腳踏車時使用風力充電，上坡與下坡的風速相差極巨，逆風與順風的不同也有差別，於是最大功率點追蹤可以讓再生能源高效率的對電池充電。

此外，電源轉接器或USB接頭不會兩個同時接上，所以用兩個開關(M3、M4)多工，二選一對電池充電。因為電池的正常工作電壓都比太陽能電池與風力發電機來得高，使用升壓轉換器(Boost Converter)來作最大功率點追蹤將有優勢。此作法與平常的升壓轉換器不同處在於，輸出是電壓源，要調整輸入電壓與電流達到最大功率點，電源轉接器或USB接頭部分使用一般的降壓轉換器即可。圖13為整個範例的系統圖。

圖13 可攜式裝置的電源管理範例系統

在控制上R_PV、R_buck、R_WTG用以產生三組轉換器的輸出電流訊號，R_bat用以產生電池的充電電流訊號，這些訊號與輸入電壓相乘後就可以得到輸入功率，以此來追蹤最大功率點。因為僅需1毫秒來追蹤最大功率點，因此可以使用一個高速的多通道的類比數位轉換器(ADC)來達成三組電流與三組電壓的轉換，此作法比使用六組類比數位轉換器來得低廉。此外，因為是對電池充電，電池的電壓不會突然改變，所以不需很快的響應速度，數位控制脈寬調變器(Digitally Controlled PWM)的類比數位轉換器速度也不用很快。圖14為控制器的功能方塊圖。

圖14 可攜式裝置的控制器範例

從本文可以看出，可攜式裝置的電源管理需要更多投入，若能善用數位電源控制與再生能源，將可有效提升電源效率。

(本文作者任職於工研院系統晶片科技中心)