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#電源設計 #氮化鎵GaN #寬能隙半導體 #可編程邏輯閘陣列FPGA #功率因數校正PFC

【GaN 是如何提升電力效率和密度的？】

如何提高電力效率和密度的解決辦法是目前業界的當務之急之一。效率的提升不僅有利於節省電力和冷卻等主要運作成本，還能幫助營運商增加機架密度和可用的運算空間，並以更具成本效益的方式滿足日益增長的需求。氮化鎵 (GaN) 寬能隙裝置的出現成就了新一代的功率轉換設計；這些設計是以前仰賴矽金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 所不可能實現的。這些設計使系統能達到前所未有的高功率密度和效率。

基於 GaN 的解決方案可以從交流電源到各個負載點 (POL) 被含納至整個資料中心的電源供應當中。GaN 還實現了諸如高壓直流分配系統的新架構。電力公司需要透過功率因數校正 (PFC) 階段來將電網效率進行最佳化。PFC 的功能如同升壓轉換器，其通常提供 380V 的直流輸出電壓。該電壓需要進一步被降低，以便為系統提供直流匯流排電源。各種拓撲結構在這一階段被採用，但「電感—電感—電容器」(LLC) 和相移全橋通常用於產生 12V 或 48V 的匯流排電壓。

該匯流排電壓通過整個系統佈線，並進行多個轉換步驟，為處理器、可編程邏輯閘陣列 (FPGA)、記憶體和儲存系統之類的各種 POL 供電。基於 GaN 的解決方案從交流電到處理器根本性地改變了整個電力系統的架構和密度。

★PFC：透過圖騰柱拓撲的啟用，像是整合式的 GaN 裝置能將有功功率開關和濾波電感器的數量減少 50%。相較於今天鈦級電源 96% 的效率，開關頻率——連續導通模式 (CCM) 或臨界導電模式 (CRM) 操作，在將整體效率提高到 99% 以上的同時，能顯著減小磁性材料的尺寸。

★LLC：DC/DC 階段利用 GaN 優越的開關特性將諧振轉換器推送到 1 MHz 以上。高頻在提高功率密度和效率的同時，降低了磁性。較小的形狀係數使得新興的高壓配電系統能夠在 380V 至 48V 轉換器的資料中心內得以被使用。

★POL DC/DC：GaN 對這些轉換器有著重大影響。首先，它可從 48V 起進行單步轉換，直接為處理器、記憶體和其他負載供電，在版上配置減少 75% 的同時，從而將在珍貴的印刷電路板 (PCB) 基板面上的零組件數量減少達 50%。其次，使用半橋電流雙拓撲結構使設計人員能夠輕鬆地堆疊功率級，以滿足不同的負載需求，並與負載緊密配合，實現最佳的瞬態效能。

如今，GaN 已不再被視為是一種未來技術。GaN 已開始幫助設計人員實現過去曾遙不可及的目標：設計出更小、開關速度更快、散熱效能更佳的創新電源系統。

延伸閱讀：
《透過 GaN 重新計算密度》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0714/36021.html
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#德州儀器TI #LMG3410 #LMG5200

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#環境監控 #水質監測 #感測器Sensor #訊號調節 #RS485 #運算放大器OP

【以「電導率」監測水質】

水質監測重要性日益升高，帶動許多相關感測器與訊號調節電路的開發。水質的檢測主要是量測細菌數量、pH 位準、化學物含量、濁度以及電導率等。所有的水溶液都有一定的導電度，添加鹽、酸或鹼之類的電解質到純水中，會提高電導率、降低電阻率。純水不會包含大量的電解質，且當其樣品被施加電壓時只會有少量電流被導通，電導率很低；反之，樣品中存在大量電解質會導致更多的電流被導通，電導率較高。通常我們會以電阻而非電導來思考 (這兩者是相反的)。

電導率系統採用將電極連結至感測器，稱為電導電池。由於電導率具有較大的溫度係數 (高達 4%/℃)，因此整合式的溫度感測器會被包含在電路當中，藉以調整其對於標準溫度的讀數，通常為 25℃ (77℉)。在量測溶液時，水本身電導率的溫度係數也須加以考慮。為精確補償溫度，必須使用第二溫度感測器及補償網路。接觸類型的感測器一般是由兩組相互絕緣的電極所組成，此電極 (一般為 316 不鏽鋼、鈦鈀合金或石墨) 具有特定尺寸與空間，藉以提供已知電池常數。

對於特定範圍內的作業，電池常數必須要與量測系統匹配。電導電池有兩種類型：具有兩組電極以及四組電極 (電極通常被稱為極點)。二極感測器較適合使用在低電導率量測方面，例如淨化水及各種生物與藥物液體；四極感測器較適合高電導率的量測，例如廢水及海水分析等——四極電池消除了因為電極的極化所導致的誤差，以及可能干擾量測的場效。實際的電極組態設定可以是平行環、同軸導體或其它類型，而非簡單平行板。

無論電池的類型為何，最重要的是不可將 DC 電壓用於任何電極上，因為液體中的離子會堆積在電極表面，造成電極的極化、量測誤差及損害。特別注意到具有保護層的感測器，例如，同軸感測器。當金屬容器保存液體時，保護層必須連結到相同的電位上；假如容器接地的話，保護層就必須連結到電路板的接地端，最終的預防就是不要超過電池的額定激磁電壓或電流。完全自給自足的電導率量測系統，適用於量測液體的離子含量、水質分析、工業品質控制及化學分析等。

延伸閱讀：
《完全自動化的自我校正電導率量測系統》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0615/35756.html
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#醫療電子 #穿戴式裝置 #無線通訊

【穿戴式醫療設備之設計要點】

新一代穿戴式醫療設備不僅為患者提供更大的便利，還能降低醫療成本；無需價格高昂的住院監測、早期檢測和診斷，可望改善醫療服務方式。醫療改革正推動符合醫療規定的治療，確保產生積極治療成果，微型無線裝置可填補此空缺。與中大型、昂貴的機器相比，穿戴式醫療設備還具有提供更高品質數據和改善監測效果的潛力；主要有四種類型，從簡單到複雜依序是：被動監測儀、監測設備、診斷設備和治療設備。在監測到治療的過程中，實現商業化的阻礙不斷提高。

大多數的治療用穿戴設備仍處於研究階段，必須經過美國食品藥物管理局 (FDA) 認可才能作為醫療設備，這樣一來開發週期會變得更長；如果公司開發的是藥物和裝置的組合設備，此一情況更為明顯。穿戴式醫療設備設計中的兩個要素，是易用性與患者的舒適度，一般由電子元件的配置方式和製作材料類型決定。醫療用穿戴式設備的電子元件選擇包括傳統的印刷電路板、柔性銅電路、印刷型電子元件、天線、細金屬絲或其任意組合。

柔性特徵是柔性蝕刻銅電路的一項重要優勢，比剛性電路板更能實現「形狀係數」的改善；儘管此類封裝元件會限制整個電路的靈活性與一致性，卻可滿足眾多的性能要求。柔性銅電路以減除法製造，用多片銅箔基板遮蔽需要的導電通路，再用化學方法移除不需要的銅、只留下所需的電路圖案，再進行元件組裝。儘管柔性銅電路在醫療設備中仍是主要組成，但在特定應用中，還存在許多生物相容性問題，且容易因重複彎曲操作而發生故障。

積層製造技術可用於產生印刷型電子元件中的基極電路。一般說來，銀、氯化銀、碳以及介電材料都印刷在可選擇其生物相容性的各種基板上，這些材料和製程都會對基極電路的生成產生影響，使其具有極好的柔性，能耐受多次彎曲操作。另一些特定的基板和印刷材料可以伸展，對於涉及患者運動的應用提供額外堅固性。與柔性銅電路相比，這種基板以及基極電路的製造方法往往具有成本上的優勢；與柔性銅電路一樣，元件可連接到印刷型電子元件的基極電路上，實現高性能。

為醫療設備選擇適宜的電路並不是一個零和遊戲，在一些穿戴式應用中，設計人員可以將全部三種電路結合起來，或在同一封裝中同時使用柔性銅電路和印刷型電子元件來提供所需功能，同時達到設備的成本目標。對穿戴式醫療設備來說，存在很多不同轉換技術，而具體選擇取決於最終產品的外觀和觸感。軟體則是另一個重要組成，將對患者的知識轉化為新的演算法和資料分析，用於高度專門化的應用。此外，天線和行動技術也可作為全套的穿戴式醫療解決方案的一部分。

延伸閱讀：
《成功導向穿戴式醫療設備的設計和生產》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/1226/34364.html
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#莫仕Molex

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