「开源节流」是我们管理财富的原则。不仅要减低支出，更要增加收入，以期在有限的时间内，大幅增加所得。同样的原则更适用在电源解决方案上，一方面消极的降低电池电源的损耗率，另一方面则是要积极的开发更新、更长效的新能源，同时兼具环保的概念。

于此，零组件科技论坛特举办「电池能源管理与新一代电池技术」研讨会，针对目前电池能源管理的趋势与技术做探讨，并邀请学术界的先进把目前最具潜力的几项新兴能源应用与学员分享，以下便是研讨会的精采节录。

便携设备电源管理技术现况及前瞻

以电压调变节省电池能源

电池可说是便携设备的心脏，若无能源运作，即便具备通天的功能，也是英雄无用武之地。因此如何降低电池的损耗，以延长电池的使用时间，就成了可携式电源管理的一大主题。美国国家半导体（National Semiconductor, NS）系统应用部门经理负责可携式电源管理的Juha Pennanen指出，用户在便携设备的电源使用上最关心的有，更长的电池寿命、容易充电、一致性及低成本，特别是在目前新电池技术的发展为能跟上市场速度，加上高阶装置的应用，又使得电耗加速。

《图一 美国国家半导体系统应用部可携式电源管理部门经理Juha Pennanen》

Juha Pennanen表示，根据2005年高阶平台的电源损耗应用分配表显示，30﹪的电耗应用于基频装置、RF以及放大器装置，20﹪于应用装置的处理器，20﹪为内存，其余平均分配在显示背光、音效解译及其他输出入装置上。他指出，有高达30﹪以上的电源是用在系统芯片上，某些甚至需要更多的电源。至于解决的方式他则认为采用一整套可授权的IP和芯片组是很好的选择，例如﹕CPU/DSP启动和待机的电源控制、电源管理的控制接口技术，及数字电压控制等可以获得有效率的处理。

而在电源转换的设计趋势上，目前在系统层级的设计朝向DC-DC的转换设计，采用体积小而经济的CAP转换，并且使用多模（PFM,PWM,Hybrids等）转换的形式。解决方案的体积则趋向使用越来越小的外部电容器和诱导器，具备DC-DC的CAP转换，同时拥有更高的运作频率。效能上，朝向越来越低的误差值（Tolerance，±1﹪），改进瞬变电流的效能，减低干扰（Ripple），产生更高的输出电压。至于系统整合上，控制汇流（I2C,PWI,SPI），使用DVFS (Dynamic Voltage Frequency Scaling,动态电压频率调整)及新的应用领域，如充电，都是目前的趋势。

在有限的电力供应下，利用电压的调变来节省电力则是目前最好的可行之道。Juha Pennanen认为使用AVS（Active Voltage Scaling,可适性电压条变）技术，可获得更多的优势。因为AVS具备弹性的电力转换、可减低电力漏损、而且对于高阶SoC架构的产品有极佳的搭配性。

如何有效延长便携设备电持续航力

更高的电力密度、更高阶的整合、减少噪声

《图二 凌力尔特（Linear Technology）应用工程经理陈德贤》

由于目前的便携设备设计已朝向多功机小来发展，因此在电池电力管理的挑战也日益严峻。凌力尔特（Linear Technology）认为目前的电源设计有以下几点挑战：1. 单一锂电池电力需负担多重电压的电路设计，2.高效能的需求，如更长的电池效力、低热能的产生、更小的散热空间设计，3.在整合设计内减少噪讯和电源输入的干扰，4.在操作装置及充电时可能使用不同的电力供应装置，如：电池、整流器、USB等。

凌力尔特应用工程经理陈德贤表示，目前的市场趋势是以达到更高的电力密度为目标，可将频率切换提高至4MHz，使用ThinSOT封装的2A电流切换，或采用QFN方案来针对未来不同特色的装置；再者为更高阶的整合设计，如在很小的组件内使用双DC/DC设计；最后是低噪讯的设计，如：修正运作的频率、多相运作减低输入电流的干扰、在单一芯片内使用多频谱的技术等。

至于电池电力应用的设计考虑，陈德贤指出有以下的几个重点：1.高效能需求是延长电池续航力设计时的基本前提，2.可携式应用需要以更低的数据和更小的体积为制作标准，3.以最高效能的电力供应和最低设计数据需求为目标。在达成高效能的设计考虑里，有些电力会因为调节器所产生的热能而损耗，因为没有空间让热能释放，也没有路径让热能从装置中排出。再者，也有些电力会在调节器快速放电时流失，此种做法则是会造成电池寿命缩短。

而针对目前许多便携设备皆采用 USB接头为其充电来源的设计，凌力尔特也提出了解决方案。陈德贤表示，使用USB为其电源接口时有几个设计考虑，包括系统需具有自动转换电力来源的设计、使用一个锂电池直接对USB接口、要以USB端输入的电力为充电基础考虑、全功能的充电器（须具备Prog、终端定时器、NTC输入、可程控的充电电流、及热调整器）。由于USB电源控制所遭遇的使用情况较为复杂，因此需仔细考虑，并针对各个可能进行细部设计，如：电池被移除、电池损坏、电池已饱电、或部分电源使用一般插头或USB等。

奈米锂电池的技术剖析与应用

使用奈米材料的锂电池具备高容量、高功率、高安全性的特色

《图三 工业技术研究院锂离子电池计划经理陈金铭》

人类对于便携设备的能源需求不断的升高，1990年时仅需要500w/hr，至2000年时提高至3,500w/hr，预计至2010年时将需要10,500w/hr才足够因应当时的电力需求，如何达成这样的电力供应则是目前电池研究的一大命题。也基于这样的需求，二次电池的发明便因应而生，从最初的镍镉电池（Ni-Cd）、镍锰（Ni-MH）电池，到现在主流的锂离子（Li-ion）电池，二次电池不断朝向更高电容、更轻、更薄的目标发展。其中采用奈米材料的锂离子电池由于具有高容量、高功率、高安全性的特色更被广泛运用在各式3C装置上。

工研院锂离子电池计划经理陈金铭博士指出，锂电池正极材料不但影响电池性能，也是决定电池安全性的重要因素。因此好的锂离子电池正极材料，除了克电容量要高以外，最重要是材料热稳定性佳，才能被应用于正极材料。锂离子电池若以正极材料来区分，主要包括锂钴（LiCoO2）、锂镍钴（LiNiCoO2）、锂镍（LiNiO2）及锂锰（LiMn2O4）四大系统。虽然使用锂镍材料的电容量最高，但安全性差，目前无法使用；而锂钴材料价格昂贵，但电容量适中，目前已到达材料应用的极限；锂锰材料最便宜，但电容量偏低且高温循环寿命差，只有少量商品化电池使用；而锂镍钴材料价格适中，电容量高，但由于安全性顾虑，目前只有少量商品化电池使用此类正极材料。

陈金铭表示，使用高容量奈米正、负极材料所组合的高容量奈米锂电池，包括奈米复合负极材料与奈米结构锂镍钴正极材料，其电池重量能量密度高达205Wh/Kg，循环寿命达400次以上，并具备优秀的安全性。未来随着高容量奈米正、负极材料的技术渐渐成熟，奈米锂电池性能将可提升至250Wh/Kg。

陈金铭特别指出，目前手机电池需求已经达到饱和，而在电动工具、电动自行车、电动机车、Cleaner及Shaver的锂电池需求正不断提高，预计至2013年高功率应用产品所创造的锂电池新市场将达4.3亿颗，约占整体市场的15﹪。

燃料电池的终端装置设计与应用

全球燃料电池系统产量累计达1.45万台，主要的市场为可携式电源与小型定置发电系统

《图四 元智大学燃料电池中心副主任翁芳柏》

基于能源与环境保护的考虑，各种清洁能源科技的发展在本世纪显得非常蓬勃。除了风力、太阳能、地热、潮汐等发电技术的发展外，氢能科技（Hydrogen energy）为其中最具发展潜力的能源科技，特别是燃料电池（Fuel cell）技术已趋近商业化，可能成为二十一世纪最重要的能源科技之一。由于燃料电池的用途非常广泛，因此无论政府或民间皆投入相当的经费进行研究，甚至未来也有可能取代目前的内燃机引擎。

元智大学燃料电池中心副主任翁芳柏指出，燃料电池具有高效率、低污染、免充电的特性，与信息及生物科技并列为二十一世纪三大主要科技。再者，燃料电池的材料简单、结构模块化，加上应用领域广，不只能开创绿色科技产业，更能帮助国内传统产业转型为新兴的高科技产业。他解释燃料电池的发电原理是将燃料的化学能，透过电化反应直接转换成电能，是利用氢及氧的化学反应，产生电流和水，而非燃烧反应。它所具备的基本组件包括：阴极、阳极、电解质和双极版。

翁芳柏表示，目前的燃料电池种类共有：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell）、高分子电解质燃料电池（Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell）、固态高分子电解质燃料电池（Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell）、质子交换膜燃料电池（Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell）、直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell）、固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell）。

而在燃料电池的市场应用方面，翁芳柏指出，自1970年代开始就出现具有独立发电功能的燃料电池系统，直至2005年底，全球的燃料电池系统产量已累计达1.45万台，较前一年大幅成长32﹪，其主要的市场成长来自可携式电源以及小型的发电系统；而全球燃料电池的市场预估上，预计至2010年时，全球的市场将可达到10亿美元。而在可携式的应用上，目前国际3C大厂皆有相关的开发计划，尤其是日、韩以暨有的产业优势，加上政府政策的支持，未来在微型燃料电池市场上将占有一席之地，因此国内的厂商必须加紧脚步，尽早掌握优势。

太阳能电池的终端设计与导入关键

太阳能光电产业自2000年之后快速成长，而2008年将是成长关键期

《图五 工业技术研究院太阳能光电研究中心赖彦任》

太阳能光电在1990年以前可定位为萌芽期，而2000年至今为快速成长期。由于德国在2000年时通过再生能源法，并于2004年修订，因其优惠条件使得太阳能光电市场出现爆炸性的成长，并导致供需失衡，连带价格也开始上涨；再加上高油价和日本京都协议的制定，迫使更多国家推动相关的法案，其中以美国的加州能源法案最受注目，但也使得原本失衡的市场更加恶化。短时间内，市场供需失衡的状况将无法改善，原料问题（如﹕多晶硅的短缺）至少要到2008才可能会回稳。

工研院太阳能光电研究中心赖彦任指出，由于太阳能光电的价格高，必须要大幅降低成本才有助于普及。

赖彦任表示，太阳能电池的种类甚多，其中以结晶硅（单晶与多晶）为主流，约有90﹪的市占率。而不同种类的太阳能电池应用的定位也不同，砷化镓（Ⅲ-V族）具有高效率，但成本高，主要为太空应用；结晶硅（单晶、多晶、HIT）的效率普通，但价格适中，主要用于地面发电；非晶硅的效率低，但成本也低，主要应用于消费性电子（如﹕计算器）；而微晶／非晶硅薄膜在硅原料缺货的情况下，为目前极受注目的明日之星。

在太阳能发电系统共有独立型／并联电力型调节器、充电器等是目前市场上较常见的产品，若依功能来区分，则可分为独立型系统、市电并联型系统、及混合型系统（独立型+并联型、太阳能光电+其他发电设备）。赖彦任对此加以说明，他指出，独立型的太阳光电系统适合在市电无法到达的地方架设，白天可进行PV发电蓄电，晚上则以蓄电进行供电，优点是不受市电影响，缺点则为发电效率低；并联型的发电系统则适合在市电可到达的地方，白天PV系统并联发电，为电力网上的发电机，优点是系统简单且效率高，缺点是停电时无紧急供电作用。

赖彦任也提到生产太阳能模块必须获得认证，若未经认证，所做的保证没有根据，也没有意义。若厂商想进军太阳能市场必定要在认证获取上多加着墨。