將產品設計轉向淨零永續性

作者：Pete Bartolik

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2024-04-24

主要力量正在聯合，確保未來數十年達到永續發展的重要業務需求。全球的政府、企業和民眾正號召支持 2050 年淨零碳排放目標。產品設計者應將淨零永續性納入其未來的產品計畫中，否則在激烈的市場壓力之下，業務可能會遭受更能應對的競爭對手奪走。

美國全國製造商協會 (NAM) 於 2022 年底的報告中指出，58% 的受訪製造商管理階層認為永續發展對於未來競爭力非常重要，這一數字遠高於 2019 年的類似調查。^[i] 對於製造商和生產商而言，永續發展是指隨著時間的推移，持續流程和實務但不消耗其所依賴的資源 (例如能源、材料、水) 的能力。

2015 年，在聯合國的主持下，淨零 (net zero) 一詞被編入法典，當時 196 個國家通過了《巴黎協定》，這是一項具有法律約束力的國際條約。^[ii]接著，在 2017 年，聯合國政府間小組將 2050 年設定為達到二氧化碳 (CO₂) 淨零排放目標和大量削減非 CO₂ 氣體排放。儘管沒有任何共通的強制執行條款，已有越來越多政府和企業設定淨零目標：

包括美國在內的 30 個國家已承諾在 2050 年達到政府運作淨零目標，並在 2030 年將排放量減少 65%。
全球 2,000 家上市公司中，有一半已設定淨零排放目標，佔 2,000 家上市公司年收入的 66%。^[iii]
NAM 調查中有 45% 的受訪者表示，其公司已正式制定淨零排放目標，其中 30% 的公司計劃在 2030 年達到此目標。^[iv]

淨零的商業影響

淨零永續性對商業的影響相當巨大。

2022 年，美國國防單位在產品上的支出估計為 2,100 億美元，而民間單位的支出為 490 億美元。^[v]歐盟委員會提出淨零技術產品製造生態系統，預計到 2030 年全球大規模製造的淨零技術市場每年將達到 6000 億歐元。^[vi]

製造商預計將生產用於電動車和基礎設施、現代化電網、建築控制器和熱幫浦等產品。此外，對碳捕捉技術的投資將推動對新產品設計和解決方案的需求，以翻新現有製造工廠。

轉移至淨零將需要大規模的資本重新分配，到 2050 年可能會增至數百兆美元及等價物。這會讓製造業的經營方式經歷巨大轉變，包含為工廠和工具提供動力的方式到採用更輕、更耐用的材料。

整個製造供應鏈都將受到影響。製造商若要衡量其淨零進度，必須計算其整體碳足跡，包括供應商的淨零進度。想要從非零商機中獲利的公司，必須證明他們正在邁向淨零目標。

公司必須計算整個產品生命週期 (從材料採購到產品壽命結束管理) 的碳影響。設計人員必須學習新技能、適應或替換既有流程、改善作業方式，以促成永續性成為核心設計概念。關鍵的最佳實務包括：

採用循環經濟方式，以減少使用的材料並回收廢棄物製造新材料和產品。
最佳化流程為產品開發脫碳，包括將產品製造過程中的材料消耗和資源使用量降至最低。
提出創新的新設計概念並投資新的工具和技術，達到更加節能的產品和流程。
專注於變革造成的管理問題，以培養淨零心態；包括鼓勵組織中的永續發展擁護者、應對人員的恐懼和抗拒，以及重新培訓和引進達到淨零目標所需的新技能。
採用數位化服務，可依據需求提供新的特點和功能，以擴充機械系統的實用性。

運用供應商的進展

Analog Devices, Inc. (ADI) 是一家價值 120 億美元 (2023 財年) 的全球半導體領導廠商，其結合類比、數位、軟體技術連接實體和數位世界。其產品有助於推動數位化工廠、大樓自動化、行動性和數位醫療保健的進步。該公司致力於在 2050 年 (或更早) 達到淨零排放，到 2030 年將範疇 1 和範疇 2 的碳排放量減少 50%，並到 2030 年將 100% 的廢棄物從 ADI 製造工廠轉移。

ADI 致力於透過高能效動作控制、精密低功率資產運作狀況監控，以及自適應智慧感測、驅動和控制，降低能耗、延長資產使用壽命，並減少原物料使用量。

ADI 具備廣泛的產品組合，能為產品設計人員提供各式組件，提高工業自動化和智慧建築應用的能源效率：

變速驅動器：據估計，電動馬達約佔工業用電量的 65%。^[vii] 在以往，大多數馬達都是固定旋轉裝置，為所有馬達配備變速驅動器可將全球能源使用量減少高達 10%。^[viii]ADI 的變速驅動器解決方案融合高效能電流和電壓感測、強大的隔離能力、高密度電源管理和無縫連接性。

AD8410A 和 AD8411A 等高電壓、高頻寬電流感測放大器，可在分流電阻上執行雙向電流量測，以提供回饋，進而增強驅動效能並確定頻寬和馬達的響應時間，確保馬達以最高效率運轉。在更小外殼中的電源管理是關鍵設計考量。ADI 提供返馳式切換式穩壓器積體電路 (如 MAX17692)，可在二次側整流器導通期間，直接從一次側返馳波形感測隔離輸出電壓。相較於傳統返馳式轉換器，設計人員無需配置二次側誤差放大器和光耦合器，可節省高達 20% 的印刷電路板 (PCB) 空間。^[ix]

位置編碼器：具有精準位置和扭矩控制的高效率伺服驅動馬達，可以更快速為複雜的組件進行加工，最佳化能源的運用。ADI 的精密訊號調整和轉換技術，可在有雜訊的工業環境中準確量測小振幅訊號。ADI 的產品有助於開發高效能位置編碼器解決方案，以提供先進的控制迴路效能、高效率及高度整合的電源管理技術，進而降低加工過程中所需的能耗並提高工廠產量。

ADI 的技術可協助加速交付高效能位置編碼器解決方案的上市時間。該公司為光學、磁力、解角器、線性可變差動變壓器等感測器類型提供編碼器訊號鏈解決方案。ADP320 三輸出低壓差 (LDO) 具有低靜態電流、低壓差電壓、寬輸入電壓範圍，可為光學和磁性編碼器訊號鏈中的所有組件供電。

圖 1 顯示 ADI MAX32672 的簡化方塊圖。這是一款小型、超低功率、高度整合、可靠的 32 位元微控制器，可在不影響電池續航力的情況下實現具有複雜感測器處理能力的設計，並且可以為既有設計的 8 位元或 16 位元微控制器提供簡單、成本最佳化的途徑。

圖 1：MAX32672 微控制器的簡化方塊圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

設計人員在馬達上整合編碼器以支援先進製造能力時，將受惠於編碼器外形尺寸的縮減。

整合電源管理：ADI 在緊湊型 IC 中提供高度整合的微功率管理解決方案，包括 LT3029 和 LT3024 等低雜訊穩壓器，前者適用於一般用途線性穩壓器、電池供電系統和微處理器核心／邏輯電源，後者適用於手機、無線數據機和頻率合成器。

可靠的連接性：ADI 提供半雙工和全雙工 RS-485 收發器，能以高數據傳輸率進行可靠的資料傳輸。ADM3066E 和 ADM3067E 在多點匯流排傳輸線上提供高速、50 Mbps 雙向資料通訊，並具有 1/4 單位負載輸入阻抗，允許在單一匯流排上多達 128 個收發器。設計人員可以利用多種評估板 (例如EVAL-ADM3066EEBZ (圖 2))，協助評估和展示這些收發器的功能。

ADI 的 EVAL-ADM3066EEBZ 評估板圖片 圖 2：ADI 的 EVAL-ADM3066EEBZ 評估板採用 10 引腳 MSOP 封裝，其覆蓋區適用於 ADM3066EBRMZ 半雙工 RS-485 收發器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

建築控制器：為使新建築和既有建築更具永續性，需要量測、連接和處理技術控制 HVAC 和照明、感測佔位並監控環境條件。這將推動對智慧邊緣裝置的需求，以達到建築系統數位化。

大樓自動化系統通常包含多個控制器和不同的節點，每個節點都需要可靠的連接。ADIN1110 是低功率單連接埠接收器，具有整合式媒體存取控制 (MAC) 介面，需較低的整體系統級功耗，並具有整合式電壓電源監控和電源開啟重置電路，能提高系統級的穩健性。

智慧建築需要對邊緣電源進行高效率管理。ADI 的 LTC4296-1 可為 10Base-T1L 控制器和交換器提供單對乙太網路供電 (SPoE) 電源，並透過單一雙絞線乙太網路纜線傳輸高達 52 W 的電力和資料。LTC9111 是符合 IEEE 802.3cg 標準的 SPoE 功率元件控制器，特別適合大樓和工廠自動化中的分類式系統。

結論

到 2050 年，對淨零永續發展的需求不斷成長，為支援製造創新、重組和推進新技術的產品帶來巨大的商機。2050 年看似遙遠，但本文引用的數據顯示，政府、企業和社會壓力已經促使許多公司將 2050 年淨零排放和 2030 年碳中和目標納入其當前策略。每個供應商最終可能都需要提出對這些目標的進展。產品設計人員若主動將這些目標納入規劃、流程和組件供應，將會從有史以來最大的工業轉型之一受益。