創新智慧能源的推動力、要件和建構基礎

早在 2011 年，就有許多關於智慧能源的討論！在北美地區，公用事業積極的在安裝智慧儀表。在巴西，電力主管機關 ANEEL 要求在全國全面安裝智慧儀表，這令人振奮不已。在歐洲，許多公用事業正在為智慧儀表開發獨特的通訊方式。

此外，有多家公司正在推廣家用區域網路 (HAN) 解決方案，讓此興奮的氛圍更加熱烈。未來還有可能在每一部洗衣機、烘衣機、冰箱，甚至是燈泡上安裝能源測量元件！每個裝置都能透過 ZigBee、藍牙或是其他低功率的短距通訊協定，跟家用路由器方便地進行通訊。

截至目前 2017 年，北美絕大多數區域，以及眾多歐亞國家已經裝設智慧儀表。現今電力的使用情況由公用事業監測，不再由高成本的電表抄表人員逐戶拜訪，以人工方式抄表。在完整的智慧能源建構願景中，是截然不同的樣貌。目前尚無實際方法能針對各個燈泡進行能源測量，這可能是因為相較於電燈的能源成本，此類系統的成本仍然太高。藉由使用小型日光燈與 LED 燈等低能耗光源，便能進一步降低能源成本。或許我們對於資料的精細程度需求已經到達極限。然而，現在也不用感到失望：雖然智慧能源的這個願景未能實現，但目前也已經有許多不錯的進展，能促成新的願景。

最好的例證之一就是咖啡。十年前，北美大多數人和餐廳都使用玻璃或陶瓷壺煮咖啡，然後放在加熱爐上保溫。加熱爐會持續消耗能源，並持續煮咖啡，破壞咖啡風味。後來，有人想出絕佳的點子，將咖啡放進保溫瓶來達到保溫。這一步讓咖啡壺「離線」，不再連接電網耗用電力。此外，煮咖啡所耗用的能源更少，口感也更好。這就是智慧能源的絕佳範例！

咖啡的例子也引出其他系統工程概念，能同時發揮最大效能又節省能源。其中一項大進展就是毫微功率。毫微功率的概念是指特定零件在靜止狀態下的電流消耗，即未運作中但也沒完全關閉的狀態。較新款的產品會利用先進的類比 CMOS 製程技術，使用幾乎測量不出來的毫微安培電流運作。主要的省電優勢首先來自這些系統的工作週期；其次是透過分散耗電架構來達成。以下用三個提供毫微功率優勢的元件與電路為例進行說明。

煙霧偵測器是物聯網 (IoT) 的首波裝置之一。這些偵測器必須用一顆電池運作 10 年之久，如此便無需經常更換電池，並且能在停電時繼續運作。圖 1 中顯示典型的現代化煙霧警報器，其中包含一顆電池、多個 DC/DC 轉換器、一個微控制器、RF 通訊、一個感測器（可能為各種架構）以及一個壓電蜂鳴器。圖 1 的表格指出採用現代化元件時，每個區塊的電流消耗值。以光學煙霧感測器為例，LED 運作時的峰值電流介於 mA 範圍，但因為 LED 的週期通常較不頻繁切換，因此平均電流會下降。對於大多數警報器，主動式電路僅有 0.05% 的時間會對空氣進行取樣，也就是說，系統有 99.95% 的時間處於靜態模式。若不考慮工作週期可能完全不同的 RF 電路，主要電路在全功率模式下的耗電量為 12.6 mA。在靜態期間，主電路的耗電量為 5.5 µA。因此，主動電路每秒的平均耗電量為 12.6 mA x 0.0005 = 6.3 µA，由此得出平均電流消耗量為 11.8 µA。如此一來，任何超過 1 µA 的靜態電流都會影響系統的電池續航力。電流消耗量若約 10 µA，每額外增加 1 µA，1500 mAh 電池的續航力就會縮短一年。

圖 1：典型的現代化煙霧警報器絕大多數時間都以靜態模式運作，因此靜態電流越低，電池續航力越長。

毫微功率的另一項優勢在於能關閉系統內的電路。在這類架構中，電池監測與即時時脈等關鍵元件會保持啟動，而主要的耗電元件，像是微控制器與 RF 電路等，則會關閉或進入最低耗電模式。圖 2 中的電路顯示監測電池電壓的毫微功率窗型比較器。此比較器只有在電池高於或低於允許電壓時才會發出警報，提供極具價值的安全功能，並可延長電池使用壽命。在未收到來自比較器（典型工作電流為 900 nA）的警報前，系統微控制器無須運作。就本質而言，這就是一種智慧能源架構，能盡可能節省能源，但又不影響必須維持啟動以發揮功能的特定電路。

圖 2：監測電池電壓的毫微功率窗型比較器。

最後一個例子是透過壁式插頭或電池供電的電源供應器，通常也稱為 ORing 二極體電源。在這種電源供應器中，優秀的設計人員會將肖特基二極體與電池電源串聯以限制壓降，並藉此限制二極體當中的功率損耗，同時繼續保護電路（圖 3）。舉例而言，Maxim 的新款 MAX40200 在最高 1 A 載流時的壓降僅有 85 mV，而在 500 mA 載流時的典型壓降則為 43 mV。比起典型的肖特基二極體，效能高出二至四倍，換句話說，就是用智慧方式節省了數十至數百毫瓦的電池電量。

圖 3：在最高 1 A 載流下，MAX40200 的壓降僅有 85 mV。

這跟煮咖啡到底有什麼關係？就像煮咖啡一樣，運作架構改變了。多種子系統幾乎與中央處理器脫離，但會定期回報並在此過程中大幅降低能源消耗。先進的處理和類比架構，能讓這些建構基礎達到前所未見的低耗電程度。嶄新的智慧能源趨勢已經超乎能源量測與通訊。新的智慧能源是一套結合先進元件的智慧系統架構，能增進系統的電池續航力和可靠性，同時開創新式應用的契機。