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CTIMES電源管理技術研討會特別報導
[作者 編輯部]   2014年12月25日 星期四 瀏覽人次: [11624]

電源設計在系統整合與設計中,是不可或缺的一環,尤其是節能減碳意識高漲的現在,電子產品乃至大型基礎建設都必須跟節能劃上等號,以期能符合當地市場法規與消費者們的青睞,此次CTIMES所規劃的『電源管理技術研討會』,就是為了台灣諸多不同應用領域的OEM與ODM業者所量身打造,希望能一次滿足各界工程師的在實務設計上的需求。


致茂:搞定LED電源 才能真正提高LED壽命

台灣政府核定了「水銀路燈落日計畫」,使得台灣將成為全球第一個全面淘汰 水銀路燈國家。據了解,這個「水銀路燈落日計畫」,中央政府預計在未來二年內投入新臺幣54.9億元,協助各地方政府於105年底將所轄69.2萬盞水銀 路燈汰換為LED路燈,完成後將使台灣成為全球第一個全面淘汰水銀路燈國家。



圖一 :   致茂電子專案主管翁睦盛指出,LED顯示幕故障率最高的元件就是LED電源,在所有故障元件中電源故障率高達70%。
圖一 : 致茂電子專案主管翁睦盛指出,LED顯示幕故障率最高的元件就是LED電源,在所有故障元件中電源故障率高達70%。

此外,中國大陸也政策扶持推動LED產業快速發展。中國大陸國家發改委等六部委聯合推出「半導體照明節能產業規劃」,進一步明確闡述“十二五”期間中國大陸 LED產業的發展目標、主要任務及扶持措施,並明確要促進LED照明節能產業年成長30%左右,2015年達到人民幣4,500億元,其中LED產業應用 產品能達到人民幣1,800億元。


根據LEDinside預估,2015年全球照明市場規模將達821億 美元,其中,LED照明市場規模將達到257億美元,使得LED照明的市場滲透率達到31%。僅是歐洲、中國與北美地區,加起來就已經達到整體LED市場 的63%比重,如此大的規模,也難怪LED市場被公認大有可為,而吸引更多投資者搶進。


致茂電子電力電子 量測儀器產品部專案主管翁睦盛指出,目前在文獻上,要找到大量的LED燈具故障數據並不是一件容易的事,近年來比較大規模的數據,是在美國東部的賓夕法尼 亞州埃爾伍德市。埃爾伍德市從5400盞戶外LED路燈失效數據統計中得知,電源與控制驅動模組失效佔59%,散熱不良佔31%,LED元件不良約佔 10%。


據統計,目前LED顯示幕故障率最高的元件就是LED電源,在所有故障元件中電源故障率高達70%。對路燈來說,壽命和光衰減遠比節能更重要!而影響LED應用產品壽命的70%因素來自於LED電源,目前真正做到完美可靠的電源產品還不多。


翁睦盛說,LED電源種類按電流源分類有包括:交流電壓轉直流電流、直流電壓轉直流電流等兩種;按電壓源分類包括:交流電壓轉直流電壓、直流電壓轉直流電壓、交流電壓轉交流電壓等三種。因為LED需要定電流源,因此大部分的LED電源都是設計成交流電壓轉直流電流。


至於一個好的LED電源所需要進行的測試項目,包括:輸出端特性測試、輸入端特性測試、時序以及暫態特性測試、穩定度測試、保護特性測試、測試項目等。


目前總公司位於林口的致茂電子,是以『Chroma』為品牌,致力於測試儀器的研發製造,以提供各類產品完整測試的解決方案,產品種類涵蓋從輸入端的功率 計、交流/直流電源,LED電源,到輸出端的直流電子負載等儀器。而包括LED驅動電源的自動測試系統、電器安規測試解決方案,與LED測試解決方案等, 也都是致茂目前在LED業界頗受好評的儀器方案。


TI:LED電源設計關鍵 讓整體架構更簡化

LED的電源設計十分複雜,需要考量的細節非常多,而依據不同的設計,所需要的元件也各不相同。然而對於擁有多種不同解決方案的德州儀器來說,卻不構成問題。因為晶片方案的多樣性,正可滿足各種不同的系統設計需求。



圖二 :   德州儀器應用工程師陳政志指出,LED電源系統的設計關鍵,就是要讓整體架構更簡化。
圖二 : 德州儀器應用工程師陳政志指出,LED電源系統的設計關鍵,就是要讓整體架構更簡化。

德州儀器市場行銷高效能類比產品應用工程師陳政志指出,通常LED的系統設計師,都會面臨好幾個重大的抉擇,這包括:輸入電源是AC、DC或者電池;輸入與 輸出電壓間的關聯;LED電流大小;以及是否採用隔離式電源元件等。此外,尚須考量還有是否有調光功能、是否有多通道、電磁兼容性與BOM表成本等。


目前德州儀器在照明的產品線方面,涵蓋的範圍包括一般照明燈泡、高瓦數嵌燈、以及車用照明等。例如450V的線性控制器,整合了乘法器、可調節相位調光器檢 測,以及類比調光輸入與驅動器電路保護功能等,可簡化高電壓LED燈串的電流調節,非常適用於採用離線AC或DC電源供電的嵌燈、燈具和燈泡的設計。


此外,TI WEBENCH LED Designer,可快速設定多達60個LED串聯或並聯的LED照明設計。只要按一下選取偏好的高亮度LED,並且將選擇的項目配合TI的LED驅動 器,即可建立穩定電流的優化電源供應電路,亦可使用Optimizer Dial撥入尺寸及效率需求,並比較和模擬動態條件下的電路行為,包括啟動、穩定狀態、脈衝寬?度調節調光及線路暫態。


陳政志說,LED電源系統的設計關鍵,就是不只要讓整體架構更為簡化,還必須兼顧到成本與尺寸。而搭配德州儀器的控制器,這些困擾工程師的問題都可以迎刃而解。


德國萊因:綠色產品意味著更多訂單機會

透過電源設計,最終的目的當然是要降低環境衝擊,並提升競爭優勢。目前各 國對於產品有關的生態設計所採取的法律與執行措施不同,無非是省電(ErP、AU MEPS、CEC、Energy Star)、無毒(RoHS、REACH、PAH)、可回收(WEEE)等。當產品符合環保指令與標準的同時,除了降低貿易的障礙、環境的衝擊,更可以同 時提升產品的優勢與品牌形象。



圖三 :   德國萊因電源產品服務部門資深經理陳永順指出,綠色產品的優勢在於『將可獲取更多的訂單』。
圖三 : 德國萊因電源產品服務部門資深經理陳永順指出,綠色產品的優勢在於『將可獲取更多的訂單』。

德國萊因電源產品服務部門資深經理陳永順指出,綠色產品的優勢在於『將可獲取更多的訂單』。觀察歐盟於2008年起積極倡導綠色公共採購(Green Public Procurement;GPP),即在為滿足政府採購需要的同時,亦可兼顧員工健康、社會福利與環境保護。如產品或服務取得歐盟境內生態標章(Eco- Label)或能源之星(Energy-Star)等相關環境標章或認證,就可直接視為符合採購的綠色要求,毋須提出額外的測試報告或技術文件。


而在2011年,美國環境保護署(EPA)、聯邦總務署(GSA)及其他聯邦組織也合作研擬了綠色採購標準。2013年,美國環保署便發布聯邦採購之自願性 產品環境績效標準及生態標籤之指南草案。這些標準彼此間結成了緊密的生態鏈,環環相扣,也因此,能夠順利通過這些標準的認證,也成為相關廠商推出產品的當務之急。


目前全球買家和貿易商對綠色產品的關注度越來越高,尤其針對資訊科技設備、影音設備、可攜式鋰電池、再生材料所含物質、非有毒有害物質以及產品能效,均為影響消費者作出選擇的重要因素,也顯示了品牌對環境和社會的承諾,為品牌增加附加價值,體現了企業良好的社會責任意識。


陳永順說,放眼未來,美國能源局已經擴大目前外接電源供應器(EPSs)的最低能效要求範圍,能效等級將從等級4一舉提升到等級6,將超越現今CE最高要求 等級5。而歐盟也將提高現行能源效率要求,往歐盟外部電源供應器行為準則(CoC)靠攏,也將擴大管制範圍至High Power EPS、多電壓輸出裝置、低電壓無線充電器等,並將10%額定負載試驗條件納入主動模式平均效率基準。


Silicon Labs:數位隔離提供高效率 光電耦合器掰掰!

傳統的LED設計多半採用光電耦合元件,這種光電耦合元件是以光作為媒介,來傳輸電信號的一組裝置,其功能是平時維持電信號輸入、輸出間有良好的隔離作用,需要時可以使電信號通過隔離層來進行傳送。



圖四 :  Silicon Labs資深應用經理劉斐中指出, CMOS隔離元件成本更低、尺寸更小、性能更好、功耗更低,而且隔離電路更可靠。
圖四 : Silicon Labs資深應用經理劉斐中指出, CMOS隔離元件成本更低、尺寸更小、性能更好、功耗更低,而且隔離電路更可靠。

只不過,比起光電耦合器,另一種數位隔離元件擁有更好的效率。Silicon Labs芯科實驗室(茂宣企業)資深應用經理劉斐中指出,以Silicon Labs的CMOS隔離元件來看,其產品成本更低、尺寸更小、性能更好、功耗更低,而且隔離電路更可靠。與光電耦合器不同的是,CMOS隔離元件不具有光 電耦合器中的內在磨損機制,在超過-40℃至+125℃溫度範圍的工作環境下,仍然可以保持參數穩定。


Silicon Labs隔離產品具有高度可靠性,還可比整體系統的壽命期長。光電耦合器由於其固有的磨損機制,因此很難具備高可靠性。例如Si87xx隔離器就提供了比 傳統光電耦合器更佳的可靠性優勢,這系列隔離器可耐受溫度、老化和正向電流效應,並且提供低十倍的FIT率,來實現更長的使用壽命,整體效率還可超過 90%。


劉斐中說,Silicon Labs的隔離產品幾乎沒有EMI,並且對外部電磁場抵抗性很好。Silicon Labs的數位隔離器可提供安全的隔離、電平位移和地面雜訊減少,同時可使用小封裝系統。此外,還支援使用各種各樣的客戶自助工具進行隔離,包括視頻、應 用說明、參考設計線上設計工具,以及工廠和現場應用工程師的專家技術諮詢。目前這些隔離產品已經廣泛被客戶和其應用所採用,包括工業自動化、交通系統、家 庭娛樂電子產品、醫療系統等。


ROHM:USB PD產品問世 一統充電標準

隨著現今電子裝置越來越多元化,各個裝置充電接口也各不相同,造成消費者每更換設備,專屬充電器也必須隨之淘汰,不僅使用不便,也造成日益增加的電子垃圾及環境問題。



圖五 :   ROHM半導體設計中心主席工程師吳建霖表示,USB PD能將電源及訊號整合至同一條線內。
圖五 : ROHM半導體設計中心主席工程師吳建霖表示,USB PD能將電源及訊號整合至同一條線內。

為了解決此問題,中國自2007年就已將micro USB列為手機的充電標準,歐盟則自2017年開始,立法以micro USB作為手機的統一充電標準,在歐盟如此強勢的要求下,蘋果也不得不加入USB協會,並針對歐洲市場,將其產品充電配件改為micro USB。


而為了更進一步提高充電標準的整合度,USB-IF協會力推USB Power Delivery(PD)標準,讓多數的電子裝置如手機、平板電腦、筆電、桌電、顯示器等都能以USB線同時傳輸資料及充電/供電。


目 前,在USB充電標準中,USB 2.0可支援5V, 500mA,USB 3.0則更進一步,提供5V, 900mA,儘管到到後來的Battery Charging提供5V, 1.5A,然而對於電池容量較大的智慧手機而言,充電仍然耗時,且也難以供電於筆電或甚至較大尺寸的平板電腦。因此為了擴大USB市場範圍,USB-IF 成立了Power Delivery的團隊,並發布了相關標準,提供更為彈性的充電/供電方式。


在CTIMES主辦的電源管理技術研討會中,ROHM半導體設計中心主席工程師吳建霖表示,USB PD不僅能夠支援100瓦數以內,5V、12V、20V不同電壓的裝置,且將電源及訊號整合至同一條線內。


以 PC及顯示器為例,過去兩個裝置除了各自需要電源線之外,還需要額外的線來連結兩邊的訊號,而在PD的標準之下,只需要一條USB PD即能同時做到訊號傳輸與電源供應,除了減少電源線的配置,不同的裝置也能相互供電。吳建霖指出,採用USB PD的裝置最快將在2015年上半年問世,而下半年也將有少數高階機種上市。不過事實上,PD的概念怎在多年前已經提出,要達到市場普及階段仍需一段時 程,吳建霖表示,直至2015年才陸續有少數產品推出,而2016預計將推廣至周邊產品,2017年開始有家電產品、監視器等裝置採用PD標準,2018 年市場延伸至車用,而2019年則會推廣至建築內,如插座也可相容於PD。


唐和:良好電源管理 全面提升產品效能

隨著現今節能減碳的意識越來越高漲,從電子產品到大型基礎建設都必須跟節 能劃上等號,以符合當地市場法規與消費者們的青睞。為此,電源管理在系統整合與設計時,成為不可或缺的一環。而如何做好電源品質的管理,以提高產品使用壽 命成為當前設計的重要課題,因此透過電力計量測電源品質也是相當重要的議題。



圖六 :  唐和業務專員梁柏豪表示,提升電源品質,能夠有效的節能、增加產品壽命。
圖六 : 唐和業務專員梁柏豪表示,提升電源品質,能夠有效的節能、增加產品壽命。

電源管理一般來說,是指涉及電路板供電方面的相關問題,近年來產品的研發大多在於低電壓、低耗電量、高效率等取向,藉此提升產品的效能及使用壽命,必須在系 統設計時,做好電源品質的管理。


唐和業務專員梁柏豪表示,提升電源品質,能夠有效的節能、增加產品壽命,除此之外如日本因應福島核災後,開始有個體戶利用這家屋頂進行太陽能發電,在將電力賣給東京電力公司,在此種情況下,也必須經過認證儀器進行校驗,確保電力品質良好。


而隨著不同的產品可能採用不同頻率,因此也需要針對頻率選擇適合的電力計,例如馬達、LED、家電產品等因各自不同的電源特性,因此所適用的機種也各不相 同,梁柏豪指出,其產品目前分為三大類,其一是高精度機種,適用於馬達、變頻器、LED等高頻率、高功率的產品,其二為低功率機種,適合如家電、轉接器或 部分LED等待機小功率的產品採用,而簡易的節電設備則適用於廠務、配電盤等


其中,相較於過去電壓量測採用接觸方式,在安全性上較低,梁柏豪表示,其簡易節電設備是透過感測洩漏電流的方式來進行量測,以非接觸的方式檢測,不僅設置簡 單,同時也提高安全性,在不能停電的場合也能夠安全測量。此外,此節電設備設置簡單,並能夠從測試線上就可測量電壓、電流、電力,因此使用上更為便利。


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