就目前來說，無論是振動、溫差、太陽能等等，利用自然現(xiàn)象的發(fā)電技術(shù)，雖然能夠及時補充所需的電力，但是由于期望穿戴式產(chǎn)品，或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在重要時刻不會突然出現(xiàn)電力中斷而帶來致命性問題的話，電源管理設(shè)計相對地就會變得非常重要。
大多的電源電路、電子電路、充電電池以及家用的交流電電源等，都是以能夠提供穩(wěn)定的電源輸出來提供所需電力為前提而進行各種技術(shù)的開發(fā)，由于像前述利用自然現(xiàn)象的發(fā)電技術(shù)，因為是在相當(dāng)?shù)偷碾妷合聛砣〉梅浅２环€(wěn)定的電力，因此相對應(yīng)的電源技術(shù)就顯現(xiàn)出其必要。
新制程出現(xiàn)，硅電源半導(dǎo)體逐漸居于相對性的劣勢
就一般而言，AC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、逆變器等等，皆是由電源控制電路、電源組件（IGBT及電源MOSFET等）、閘極驅(qū)動（Gate Driver）、隔離器（isolator）等等所組成。但就目前其中的電源半導(dǎo)體來說，像是SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等等的新一代電源。
組件相當(dāng)?shù)膫涫茏⒛俊Ｊ褂眠@些電源半導(dǎo)體的話，不僅僅能夠獲得更高的電源轉(zhuǎn)換效率之外，同時也能夠達到小型、輕量化的目的。
事實上，在工業(yè)用設(shè)備、車輛、綠色能源設(shè)備等等方面已經(jīng)開始被應(yīng)用，而達到電源的高效率化以及小型化。另一方面，也可以感受到現(xiàn)有硅電源半導(dǎo)體逐漸居于相對性的劣勢，但是就僅僅因為這樣，而一味的改用新一代電源組件的話，或許也不是非常的適當(dāng)。在最近，特別是絕緣閘雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)相當(dāng)顯著的改善，由于在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善以及制程更趨向細微化之下，可以感受到已經(jīng)達到電力浪費的降低，以及轉(zhuǎn)換效能有明顯提升的結(jié)果。
圖1 : 更高的效率追求下SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）將成為新一代電源主流組件
因此，借助更先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制程技術(shù)，在提高IGBT等等的硅電源半導(dǎo)體之后，在為了更高的效率追求下，并非只能舍棄硅電源半導(dǎo)體組件而改采用SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等新一代電源組件。
利用數(shù)字可編程找出最佳電壓波形
此外，閘極驅(qū)動（Gate Driver）的部分，則是由放大器電路（Amplifier）以及晶體管開關(guān)（Switching transistor）等所組成。再由IGBT的閘極來接連閘極驅(qū)動的輸出，再透過驅(qū)動訊號來對IGBT的開或關(guān)進行控制，而在其中最為重要的就是驅(qū)動訊號的波形。
對于波形的穩(wěn)定度來說，會直接的影響電源的轉(zhuǎn)換效率（電力耗損）以及噪訊是否過大。例如波形因為變換效率增強而出現(xiàn)急遽上升的話，電流波形將會出現(xiàn)瞬間過沖（Overshoot）使得噪訊增加。
因此在這個時候，一般而言，電源設(shè)計者就會在連接IGBT和閘極驅(qū)動之間的電路增加電阻，來調(diào)整轉(zhuǎn)換效率以及噪訊的權(quán)衡（trade-off），但是能夠調(diào)整參數(shù)只有為了阻抗值而已，很少數(shù)的情況下才有機會達到效率的調(diào)整。
從閘極驅(qū)動（Gate Driver）所輸出驅(qū)動訊號的波形如果能夠被數(shù)字可編程，這樣的話，就能夠隨意地設(shè)定波形的細致度。
舉例來說，利用4個或8個Time Segment，針對每個Time Segment都提供獨立的64階可調(diào)設(shè)電壓。在最初的Time Segment突然間設(shè)定高電壓的話，就能達到快速攀升的驅(qū)動訊號，反之，在最初設(shè)定低電壓后，在Time Segment增加的電壓值則會緩慢上升。這樣的驅(qū)動訊號波形的設(shè)定彈性相當(dāng)高，如果是4個Time Segment時，就能夠有64階乘上4個Time Segment，總共有1677萬個組合，就能夠在有限的人力資源下找到最佳的波形。
圖2 : 將輸出驅(qū)動訊號的波形利用數(shù)字可編程，就能隨意地設(shè)定波形的細致度
如何穩(wěn)定的供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品驅(qū)動電力所需
以目前的應(yīng)用市場而言，能夠連上網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或產(chǎn)品，每年銷售戶新型態(tài)產(chǎn)品都呈現(xiàn)急速的增加，另一方面，這類型產(chǎn)品的開發(fā)趨勢，也就愈來越小型化以及隨身化。就像是可攜式的醫(yī)療設(shè)備，包括了常見的測量用傳感器、再演進到可埋入身體的心律調(diào)整器或人工內(nèi)耳助聽器等，只要在身體上所放置的這類型產(chǎn)品具有無線功能，就能夠自動連接上網(wǎng)絡(luò)。
但是，無論是穿戴式或是可埋入身體的這些產(chǎn)品具有聯(lián)網(wǎng)功能，而被稱之為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都具有相同的一個研發(fā)課題，那就是如何穩(wěn)定的供應(yīng)產(chǎn)品所需要的驅(qū)動電力。
這些穿戴式產(chǎn)品在使用時的舒適感會直接影響購買的欲望，因此在外觀上，經(jīng)常會被設(shè)計成輕薄短小，或是依賴加入更多的各類型傳感器來達到人性化的目的。不過由于是這樣的目的，使得擔(dān)負電力供應(yīng)的電池體積就會被局限在一定的范圍之內(nèi)，或者是被設(shè)計成使用者無法自行更換，因此就必須附加令人討厭的充電電源線，如果一旦無法有效進行電源消耗管理的話，勢必會讓使用者用一段時間后就必須進行充電的動作。
例如，可聯(lián)網(wǎng)的義肢等產(chǎn)品，如果是正在進行聯(lián)網(wǎng)動作無法中斷，而又出現(xiàn)電力不足時，這時就需要接上充電電源線，但是一般的電源線在使用上，例如長度或轉(zhuǎn)折的地方，都會對使用者造成一定程度的不舒適感。
低電壓將影響組件反應(yīng)速度
因此，在長時間使用無法自行更換電池的物聯(lián)網(wǎng)終端時，半導(dǎo)體組件的低電壓化與低耗電化技術(shù)就顯得非常重要。特別是采用1V以下低電壓電源的半導(dǎo)體組件驅(qū)動技術(shù)，以及利用自然現(xiàn)象發(fā)電的產(chǎn)品。
以目前來說，1.2V電壓驅(qū)動的CMOS電路的電源電壓大多降到0.3V，雖然耗電的部分可以減少到1/1000，但反應(yīng)速度也變慢了100倍。這樣一來，雖然能源的效率增加了10倍，但也影響了產(chǎn)品的效能。不過，由于低電壓的影響所造成反應(yīng)速度變慢，在這一方面，或許可以考慮采用分時同工或多核心來作為彌補，達到低電壓化的基本結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，我們也知道，也不能單純一味地降低電壓，因為現(xiàn)階段的半導(dǎo)體芯片，除了邏輯電路之外，也持續(xù)的加入個組件電路，例如包括內(nèi)存、AC-DC變壓器、無線電路等，基本上這些都能夠靠1V的供電電壓下，驅(qū)動所有的功能性電路區(qū)塊。不過，當(dāng)驅(qū)動電壓降到了0.5V的時候，這時內(nèi)建在芯片里的各個功能性電路就會出現(xiàn)程度不一的變化，因此能夠提供滿足各種功能電路區(qū)塊的電壓，就成了一項不可或缺的考慮和工作，這時面對各種電壓要求下，多電壓電源供應(yīng)也就成了單芯片必要的能力之一。
圖3 : 提供滿足各種功能電路區(qū)塊的電壓，是未來研發(fā)時不可或缺的考慮和工作
例如，在單一芯片內(nèi)需要10種不同電壓電源供應(yīng)的話，或許就必須準(zhǔn)備10種不同的外部電源，這對于使用者來說是相當(dāng)不方便的，這也就促進了多電源電路的單芯片化和低耗電化的技術(shù)研發(fā)，就像英特爾的Core架構(gòu)的第四代產(chǎn)品Haswell（開發(fā)代號），在其單芯片的內(nèi)部就采用了13種不同電源電壓。
無線OnChip電源電路
采用自然現(xiàn)象發(fā)電技術(shù)，須考慮極度不穩(wěn)地電壓輸入的條件
在面對技采用自然現(xiàn)象發(fā)電技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時，在供電的電源電路方面，就必須考慮極度不穩(wěn)地電壓輸入的條件，這時升壓電路就會變得非常重要。
例如，在面對利用體溫和室溫的溫差發(fā)電，或者是太陽能發(fā)電的產(chǎn)品上，發(fā)電輸出電壓大約是100mA左右或者更低，這時如果需要讓驅(qū)動電壓為1V的組件動作的話，就必須依賴強大的升壓電路。對于這樣的需求，市場上的功率芯片業(yè)者就提供了相對應(yīng)的產(chǎn)品，例如可以支持20mV的升壓功率組件，但是在為了完成整體電源電路結(jié)構(gòu)時，還必須考慮使用1對100的變壓器等外部附加的組件，來達到讓用戶不必擔(dān)心電力問題而隨心所欲的使用穿戴式等等的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
圖4 : 讓使用者不必擔(dān)心電力問題而隨心所欲的使用穿戴式產(chǎn)品，對電源設(shè)計來說是相當(dāng)嚴(yán)峻的考驗。
其實，對于供電電壓在100mV的情況下，在技術(shù)上是有一定的困難度。根據(jù)實際設(shè)計的經(jīng)驗來說，在80mV進行升壓的狀況下，在升壓電路中是無法使用MOS晶體管來進行開關(guān)的動作，80mV的電壓是比MOS的動作門坎電壓還低很多，所以沒有辦法對閘極輸入ON的狀態(tài)，因此在芯片的內(nèi)部，就必須對閘極電壓進行提升來達到讓閘極作動，這也是非常重要的。
這時就可以利用電荷幫浦轉(zhuǎn)換器（Charge pump），在接受80mV電壓的電荷幫浦轉(zhuǎn)換器，由于驅(qū)動力量還是非常低，因此會一點一滴地將電荷儲存起來，從0V到0.5V緩慢地升壓，當(dāng)儲存到一定的能量之后，一口氣送出0.5V的電力，強迫進行開關(guān)（ON/OFF）的動作，此外如果更進一步的話，也可以在單芯片的變壓電路上去除電感組件。
微波輻射也會影響電力的變化
除了電壓的問題之外，在利用自然現(xiàn)象發(fā)電之下，要能穩(wěn)定供應(yīng)電源還有著各種的問題點需要克服，例如，采用RF無線充電時，所產(chǎn)生出來的微波輻射也會影響電力的變化，而這些的RF無線充電幾乎都是來自1GHz以上的高頻率電波。相同的利用RF無線充電所獲得的電壓也是相當(dāng)?shù)停@時，如何完善的對高頻低壓來進行升壓的技術(shù)也是非常的重要。另外，利用壓電組件震動發(fā)電時，也將會面臨30V的交流電壓，這時就需要考慮如何有效控制高壓的交流電。
伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品功能性與充電能力不斷的增加，內(nèi)部所采用的半導(dǎo)體組件也將會愈來愈復(fù)雜，彼此的分工也愈來愈細，這時就會面對在大量生產(chǎn)下，如何降低生產(chǎn)成本的困難課題，就像是采用不同的自然現(xiàn)象發(fā)電供應(yīng)電源時，就必須匹配不同的電源處理單元與電路。
當(dāng)然也可以使用相同的電源處理單元與電路情況下，透過調(diào)整輸入的特性設(shè)定能夠符合不同的供電來源，雖然解決了一個電路匹配不同供電源的成本問題，但是卻又會產(chǎn)生能否達到電源優(yōu)化的目的。基于這樣的概念，事實上，也有專家進行相關(guān)的研究，但是最終都是以放棄作為收場，原因還是出在效率無法優(yōu)化。
或許這樣同一電源電路匹配各種不同電源供應(yīng)的理念目標(biāo)，還是必須等待在未來功率組件業(yè)者開發(fā)出更聰明、更有效率的新產(chǎn)品出來
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