電源管理積體電路(Power management integrated circuit, PMIC)主要負責提供系統內部穩定且適當的電壓,廣泛應用於各種電子產品上。由於系統中各項電路,如中央處理器(CPU)、繪圖晶片(GPU)、射頻接收/傳送器等,具有不同電壓規格,且在省電/高效能等不同運轉狀態下,各電路所需要的電壓也隨之變化,因此PMIC在系統晶片中扮演著不可或缺的腳色。
直流-直流轉換器為電子產品中最常用的PMIC,依據操作模式及儲能元件的不同,可區分為線性穩壓器(LDO),切換電感式直流-直流轉換器(Buck/Boost)以及切換電容式直流-直流轉換器(Switched capacitor dc-dc converter)。切換式直流-直流轉換器因為具有較高的轉換效率,近年來成為研究的趨勢。
另外,無線充電技術的演進,使得高效率功率放大器(Power amplifier)以及交流-直流整流器(Rectifier)電路也受到矚目。藉由PA將發射端的訊號及能量放大,以無線電波的方式傳送。而接收端藉由整流器將此無線電波加以整流,並提供穩定的電壓給予後端系統或是對電池進行充電。除了常見的手機充電與射頻標籤(RF tag)之外,此一技術亦可應用於人工電子耳、人工心臟等植入式醫療器材中,避免更換電池的手術對人體造成的傷害。
物聯網(Internet-of-Thing, IoT),藉由人們身上所穿戴的裝置以及環境中無線感測器網路將所偵測到的訊號傳至雲端(Cloud side)進行運算與處理所構成。本研究設計發展低電壓(0.5V以下)電源管理積體電路技術,包含類比電路以及數位控制電路以達到較高的能源效率。另外,能源擷取積體電路可將太陽能電池(0.2V ~0.5V)或熱電產生器(0.02V~0.1V)所產生的低電壓能源轉換至標準電壓,供積體電路使用。結合上述之電路設計技術,可發展無電池系統之穿戴式裝置與無線感測器,或是高可靠度之防災感測器網路以延長系統中電池使用時間。上圖為搭配鈕扣電池及太陽能電池,應用於低功率穿戴裝置之電源管理晶片。
無線充電利用電磁感應或磁共振技術,將電力以無線的方式傳遞,除了常見的手機充電,亦可應用於對人工電子耳、人工心臟等植入式醫療電子裝置充電,以避免因電池更換所造成的定期開刀。本研究群也與業界合作,發展針對智慧型手錶/眼鏡、藍芽耳機等低功率的智慧型消費性電子產品之無線充電技術,改善能量傳輸的方式,提升無線充電技術的傳輸效率以及傳輸距離。所設計磁共振技術之無線充電系統架構圖如上圖所示,藉由在接收端產生感應交流電壓,透過Rectifier將交流訊號整流成直流電壓,再利用電池充電器(Battery charger)對充電電池進行充電。針對高效率、低輸出功率接收器進行開發,並提供穩定輸出電壓。
全積體化切換電容式直流-直流轉換器因有利於實現系統單晶片而受到矚目。本研究利用標準CMOS製程研發,藉由整合低壓降穩壓器概念至多轉換比切換電容架構(1、1/3、1/2、2/3、3/4)中,可有效提升目標輸出電壓及電流範圍內的轉換效率。上圖為此架構之系統方塊圖,此電壓轉換器可將1.8V輸入電壓轉換至0.4V ~1.7V輸出,提供負載電路使用,並達成高轉換效率。適合應用在單晶片系統(SOC)上。