綠能科技之智慧型電源管理平台研究

綠能科技之智慧型電源管理平台研究

秦平源

電機工程系

摘要

全球暖化伴隨著石油危機，使得各領域的工程師 開始省思如何開發新能源，及節省能源的消耗。然而 開發新能源，雖然能夠解決石油危機，但是往往又產 生新的危機，如生質燃油造成糧食價格飆漲，使得第 三世界因此動盪不安。因此，當務之急應該是加速開 發節約能源的技術，始能真正降低二氧化碳排放量， 並且降低石油的依賴。 本研究開發出智慧型電源管理平台技術，此技術 可以廣泛應用在消費性電子之數位電源電路，以降低 數位電路的功率消耗。 關鍵詞：節約能源、電源電路管理

壹、緣由與目的

2005 年京都協議正式生效後，全世界的工程師正 努力進行減碳技術的研究，而減碳最有效而直接的方 法就是節約能源，節約能源又以電子產品導入智慧型 電源管理技術最具成效。 以 Intel 為例，近年來致力於微處理機的電源技 術研發，成果頗為可觀。目前以其擁有的智慧型電源 管理技術，大幅降低微處理的功率消耗。平均一個核 心的功率消耗，由三年前的 100 瓦，降低到目前約 15 瓦的功率消耗。半導體的莫爾定律，從石油危機的現 在開始，將不僅是追求元件的性能及成本的降低，開 發出節能的技術，將是未來推動墨爾定理的新動力。 隨著石油價格的大漲，開發電子裝置的節能技 術，可以令製造商在商品的附加價值實質獲利，因此 節能技術的開發已不再是國際大廠所專屬。電子產業 不論規模大小，幾乎是全面性地投入智慧型電源管理 技術的開發。 由本系畢業同學的就業狀況分析，電源電路的設 計工作機會有增加的趨勢。主要的原因除了能源技術 誘人的商機之外，這幾年來電子商品微利化的趨勢， 使得廠商以往外購電源模組的製造理念，為了提高產 品的利潤，不得不修正。以我國 TFT LCD 電視製造 商為例，以往電視廠商的電源解決方案皆是採用外購 的電源供應器模組，隨著電視的商品價格降低，為了 增加利潤，不得不自製電源模組，因此造就出電源電 路設計欣欣向榮的就業機會。 有鑑於此，本系預計於 97 年度，新成立綠能技 術實驗室，以節能技術研究為目標，將所開發的技術 導入新課程，以培育本系學生最先進的電源電路設計 之技術。

貳、理論

電源電路設計有以下的技術演進順序： 一、線性電壓調節器： 採用電晶體及電阻、電容組成電源電路，如圖一 所示。輸出可以有比較低的雜訊漣波電壓。電源轉換 效率隨著輸出電壓的下降而降低，以目前 65 奈米微 處理機的操作電壓在 1.2V，輸出效率約在 30%。因 此，線性電壓調節器效率較差是其最大的缺點，目前 大部分使用在非主流而需要較低漣波的類比電路。

圖一 線性電壓調節器 二、交換式電壓調節器： 採用電感器做為電能的瞬間儲存裝置，如圖二所 示。輸出電壓預設為固定值，且由 FB 迴授到控制器。 輸出電壓若低過預定輸出電壓值則 Vin 與 SW 短 路，Vin 經由 L1 對 Vout 充電。輸出電壓因此回復上 升。 輸出電壓若超過預定輸出電壓值，則 Vin 停止對 SW 的送電而開路，且令 SW 與地點形成迴路，將電 感器儲存的能量逐漸釋放到輸出，既不會令 L1 瞬間 開路，亦能降低輸出電壓值到預設值。因為理想的電 感器充放電時並不會損失功率，電壓轉換效率約可達 90%。 圖二 交換式電壓調節器 三、電壓動態可調： 專門針對微處理機系統所發展出來的新觀念，以 交換式電源電路為核心架構，如圖三所示。若邏輯電 路需要高速運算，則提高輸出電壓，雖然耗電量大， 但是邏輯的雜訊裕度提高，系統因此不會當機。若邏 輯運算速度只需低速運算，則降低操作電壓，如此可 以省電，且系統可以穩定操作。電壓上升或下降，一 般是由 I2C 協定來控制。電壓轉換效率等同交換式電 壓調節器，而且節能效果可以比傳統的交換式電源更 提高 40%以上。電壓動態可調技術因此可以兼顧處理 器的運算性能及耗電量。 圖三 電壓動態可調架構圖 四、本研究之智慧型電源管理技術： 消費性電子產品的數位電源使用數目有日趨複 雜的發展，一般至少需要 3 組電壓源。以 Altera 的 65nm 製程 FPGA 內嵌微處理機系統為例:核心邏輯 電壓 1.2V，外接 DDRII 需 1.8V，快閃記憶體需 3.3V。 此外尚須小功率的 LDO 線性電壓調節器提供類比電 路電源，因此有必要將數位、類比電壓源設計整合， 並且能夠達到電壓動態可調的要求，才能增加電源電 路的附加價值。而智慧型電源管理技術除了必須達到 節能的功能外，也需因應消費性電子產品的需求，加 入充電電池的功能、溫度監控及 LED 顯示內部狀態 的功能。 本研究所規劃的智慧型電源管理技術核心所採 用的 IC LP3913 周邊電路設計。其主要的特色如下： (一)具備 3 組數位電壓源，2 組類比電壓源，四通道 A/D，充電電路。 (二)具備 I2C 可以實施電壓動態可調，實質節能。初 始數位電壓為 1.2V、2.5V、3.3V。 (三)內建的 A/D 轉換器可以有效支援智慧型電源管理 技術，偵測充電電池溫度、實際電壓值。 為了達到節能的效果，電源電路的設計技術有日 趨複雜化的發展趨勢。智慧型電源管理技術的發展須 整合電源電路核心，如圖四所示，整合 I2C 控制電 路，監控軟體，及針對特定的數位系統發展出控制法 則。本研究所產出的智慧型電源管理技術之發展平台 架構規劃，如圖五所示。 本系採用 Altera 微處理機已有多年的經驗，因此 率先以該公司所產出的嵌入式微處理機 NIOS 為此特

定的數位系統。電源控制電路是由 VHDL 所撰寫， 可以跨平台，適合各種 FPGA 平台。以圖控界面透過 USB 匯流排監控智慧型電源管理模組，可以兼具學 生教育學習的功能。 圖四 智慧型電源管理技術之電源電路核心 圖五 智慧型電源管理技術之系統發展平台

參、結果與討論

節能電源電路性能的評估，包含靜態電壓轉換效 率、暫態輸出漣波電壓、電壓動態可調整體效能。本 研究所產出的電源電路經實測後，在 1.2V 輸出條件 下的 1 號數位電壓調節器靜態電壓轉換效率，以可變 電阻為負載，控制輸出電流如圖六所示，在典型 500mA 輸出電流下，效率約 75%。 圖六 交換式電壓調節器 1.2V 靜態操作效率 數位電源電路經實測後，在 1.8V 輸出條件下的 2 號數位電壓調節器靜態電壓轉換效率，以可變電阻 為負載，控制輸出電流如圖七所示，在典型 500mA 輸出電流下，效率約 85%。 圖七 交換式電壓調節器 1.8V 靜態操作效率

輸出端的階梯負載電流，所形成的輸出電壓流波 大小，會對邏輯電路的穩定度，形成重大的影響，電 源電路經實測後，在 1.2V 輸出條件下的 1 號數位電 壓 調 節 器 ， 輸 出 電 流 由 100mA 轉 250mA 再 轉 100mA，其輸出電壓暫態響應如圖八所示。電壓突波 值約為 10mV。 圖八 交換式電壓調節器 1.2V 瞬間電壓響應 數位電源電路經實測後，在 3.3V 輸出條件下的 3 號數位電壓調節器，輸出電流由 100mA 轉 250mA 再轉 100mA，其輸出電壓暫態響應如圖九所示。電 壓突波值約為 20mV。 圖九 交換式電壓調節器 1.2V 瞬間電壓響應 數位電源電路經實測後，在 1.2V 輸出條件下的 1 號數位電壓調節器，啟動 PWM 展頻機制，與關閉 展頻機制對照之下，展頻機制可以降低電壓漣波 10Db，可以具體改善因電壓源漣波所引起的 EMI。 圖十 數位電源之頻譜分析圖 輸出電壓隨著系統的需求可動態調整，2 號數位 電源動態電壓可調的範圍為 1.8V 至 3.3V，如圖十一 所示。 圖十一 2 號數位電源之電壓動態可調範圍

智慧型電源管理技術之電源電路核心，需針對個 別的數位系統所採用的 IC 之耐電壓，發展出控制法 則。

本 研 究 採 用 Altera 公 司 所 產 的 Cyclone III EP3C10，外接 DDRII 64MB 記憶體，以 EPCS16 為 外接 FLASH 記憶體，建立內嵌 NIOS 的數位平台。 令 NIOS 進行 1024 點 FFT 運算，做為測試條件。 核心邏輯電壓 1.1V 至 1.4V 動態調整，記憶體電 壓分別為 1.8V，3.3V 固定。 透過內嵌之鎖相迴路，調整操作頻率由 10MHz (1.1V)至 150MHz(1.4V)，系統可以穩定操作。核心邏 輯可以節能(1.42-1.12)/1.42=38%。

肆、成果與展望

行政院國家永續發展會議勾勒出國家發展中，二 氧化碳的減量指標。太陽能及風力發電雖然是乾淨的 能源，但是發電成本太高，且發電量不足。核能發電 又在我國形成意識形態之爭，開發困難。節能電源電 路研究，可以實質上減少我國二氧化碳排放量。 本研究產出可應用於中低功率之消費性電子產 品內，具智慧型電源管理功能之電源電路。研究成果 包含一個完整的電源電路設計平台，平台包括電源電 路硬體設計、電源電路控制韌體、及一個可供工程師 或學生監控的人機介面軟體。透過此平台的建構設計 完成，使用者可以快速地獲得智慧型電源管理設計之 設計知識、技術及經驗。非常實務地，開發出電子電 路節能技術，此技術將可以訓練參與此計畫的研究生 技術及建立本系學生有關智慧型電源管理的專業課 程。

參考文獻

[1] NIOS 相關技術資料： Altera 公司 http://www.altera.com [2] USB2.0 詳細規格：

“USB System Architecture：Fourth Edition,” Mindshare Inc. [3] IIC 規格書及應用： 菲利浦公司 http://www.philips.com [4] 電源管理 IC 之規格書及應用： 國家半導體公司網址 http://www.nationalsemi.com [5] 電源管理技術設計論壇： http://news.eedesign.com.tw http://www.eettaiwan.com