【導(dǎo)讀】類追求更高效率利用能源的歷史大概與人類本身的歷史一樣長。在數(shù)智化和電氣化程度日漸提高的當(dāng)下,面對極端環(huán)境與苛刻要求以及日趨廣泛多元的行業(yè)應(yīng)用,電源技術(shù)與產(chǎn)品又經(jīng)歷了怎樣的更新與迭代?在前不久的第11屆EEVIA年度中國硬科技媒體論壇暨產(chǎn)業(yè)鏈研創(chuàng)趨勢展望研討會上,ADI公司亞太區(qū)電源市場經(jīng)理黃慶義先生深入介紹了泛在的高性能電源技術(shù)和解決方案正在如何演進(jìn)。
從一次電源到二次電源、三次電源,從接口防護(hù)到電源的持續(xù)監(jiān)控與控制,不同種類的電源技術(shù)在發(fā)電側(cè)到芯片端都扮演著重要的角色。要想設(shè)計一款優(yōu)秀的電源產(chǎn)品,需要從多個方面進(jìn)行突破的,對此,黃慶義先生表示:“首先電源是作為IC,先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝是前提,優(yōu)秀的電路設(shè)計水平是保障。其次,從IC到模塊再到客戶最終到手的系統(tǒng),這個過程中的封裝技術(shù)與系統(tǒng)集成能力同樣至關(guān)重要?!?/p>
多年以來,在電源領(lǐng)域ADI作為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者始終憑借自身的高性能電源技術(shù)和解決方案獨步市場,以先進(jìn)的設(shè)計和封裝技術(shù)等確保著電子系統(tǒng)以最佳效率、速度和功率水平運(yùn)行?;诖?,也使得ADI衍生出了很多在業(yè)界領(lǐng)先且有特點的電源發(fā)展方向和技術(shù),例如Silent Switcher、模塊化、LDO等等。
黃慶義先生表示:“目前,電源技術(shù)發(fā)展的大方向始終沒有脫離三個方面,效率、面積和電磁輻射。在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計過程中,這三大維度的平衡極具挑戰(zhàn)性,通常優(yōu)化一個參數(shù)意味著犧牲一個或多個其他性能。”
效率:即日常提到的能效。人們不斷地致力于提高電源效率,從原來的線性電源發(fā)展至開關(guān)電源,從十多年前就達(dá)到90+%效率到如今不斷逼近99%,近乎苛刻的效率提升不難證明其重要性;
面積:小型化是電子設(shè)備發(fā)展的大趨勢,都希望最大限度地降低它的面積,比如減小器件的面積,減小設(shè)備的大小,以此在有限的空間里面放更多的電源,更大地提高電源功率密度;
電磁輻射(EMI):一般由電源干擾引起,其會帶來很多意想不到的問題,比如影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性,比如對其它器件的干擾以及其它器件對自身的干擾等。而不斷提高的電源性能要求,諸如功率密度增加、開關(guān)頻率更高以及電流更大,只會擴(kuò)大EMI的影響。
解決噪聲與振蕩
不斷演進(jìn)的Silent Switcher技術(shù)
業(yè)界一直在尋求一種辦法,通過在集成單片DC/DC轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)了一些通用的改進(jìn)和巧妙的設(shè)計理念,使電源設(shè)計人員能夠再不犧牲效率、EMI特性或瞬態(tài)性能的情況下實現(xiàn)最佳的設(shè)計時間和設(shè)計空間。ADI的Silent Switcher技術(shù)就是這樣的轉(zhuǎn)換器改進(jìn)和巧妙設(shè)計理念的應(yīng)用。
“導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的是開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。當(dāng)開關(guān)頻率過高時,不管是在時域或頻域上,開關(guān)節(jié)點波形都會出現(xiàn)明顯的振蕩,這就是一項產(chǎn)生EMI的因素。簡單的降低開關(guān)頻率可以減少振鈴,但也會對效率產(chǎn)生負(fù)面影響。要想有效減少EMI并改進(jìn)功能,需要盡量減少紅色回路的輻射效應(yīng)。”黃慶義展示了兩張簡單的電路示意圖解析Silent Switcher的出色能力?!癝ilent Switcher技術(shù)可以比較好地解決這個問題,其架構(gòu)經(jīng)過不斷的迭代、優(yōu)化、升級,新產(chǎn)品內(nèi)置了高頻回路電容,進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)等效感抗以降低PMW振鈴,縮短MOS死區(qū)時間和提升PMW擺率,推動轉(zhuǎn)換效率提升至95%,無負(fù)載靜態(tài)電流低至2.5uA,同時電源的輸出紋波也低至10mV以內(nèi)。”
毋庸置疑,Silent Switcher技術(shù)是開關(guān)模式電源問世以來電源領(lǐng)域的先進(jìn)成果之一。這項降噪技術(shù)在許多噪聲敏感應(yīng)用中改善了EMI性能,提高了系統(tǒng)效率、輸出紋波性能,縮小了解決方案總體尺寸。ADI仍在繼續(xù)開發(fā)Silent Switcher技術(shù),以進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲水平,不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍,造福更多領(lǐng)域。目前已經(jīng)發(fā)展到Silent Switcher第三代。
在現(xiàn)場,黃慶義先生詳細(xì)描述了Silent Switcher的迭代過程:“最初,Silent Switcher技術(shù)對布局的要求非常高,因為其要求盡可能將這些輸入電容對稱布置,以便發(fā)揮場相互抵消的優(yōu)勢。為了確保在設(shè)計及整個生產(chǎn)過程中的正確布局,Silent Switcher 2應(yīng)運(yùn)而生。再到如今的Silent Switcher 3,在過去的基礎(chǔ)上又新增了低噪聲功能,使得它輸出的噪聲非常接近LDO的水平,同時其封裝也進(jìn)行了很多的優(yōu)化,超低的低頻噪聲、超快的瞬態(tài)響應(yīng),使得Silent Switcher 3能夠很好地解決效率、面積、電磁輻射帶來的問題?!?/p>
超薄超低噪聲、小尺寸大電流...
“五花八門”的ADI μModule
μModule (微型模塊) 產(chǎn)品同樣是ADI電源產(chǎn)品的一大特色,據(jù)黃慶義先生介紹μModule是完整的系統(tǒng)級封裝 (SiP) 解決方案,可最大限度縮短設(shè)計時間,并幫助客戶縮減電源電路板尺寸和電路設(shè)計復(fù)雜度,同時還提高了系統(tǒng)的可靠性。該系列是將組件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計負(fù)擔(dān)從設(shè)計師轉(zhuǎn)移到了器件身上,從而縮短了總體設(shè)計時間和系統(tǒng)故障排除過程,最終加速了產(chǎn)品上市速度。
“自從十幾年前高集成度的電源模塊產(chǎn)品問世,客戶就不再需要關(guān)注電源的噪聲、紋波,只需像LDO一樣使用即可?!秉S慶義如此介紹道。目前,ADI有很多種類型的模塊可以供大家選擇,比如超低噪聲的、超薄的、帶監(jiān)控的,大電流的,多路輸出并聯(lián)等等。
以大電流電源模塊為例,隨著功率密度的要求越來越高,為了輸出大電流,此前需要很多個模塊并聯(lián)起來才能實現(xiàn)。比如2010年,ADI需要12片LTM4601才可以做到100A。為此,在ADI的不斷探索下,2018年LTM4700問世,只需1片就能做到100A。接著2021年,LTM4681的發(fā)布就做到了在22mm×15mm的面積之內(nèi),輸出單路125A或四路31.25A的電流。
另一方面,要想做出高集成度的電源產(chǎn)品,在保證大電流的同時,電路板小尺寸、薄型化同樣是關(guān)鍵。黃慶義舉例LTM4631和LTM4622:“在許多情況下,由于空間限制,我們的客戶只能利用帶分立器件的PCB的下表面。事實上,很多系統(tǒng)PCB下表面只有2.2mm的高度可用于安裝器件。因此,我們開發(fā)超薄的電源模塊,常規(guī)的1.8mm,最薄可到1.3mm,以便它們既能很容易地放入其中,又能幫助解決空間和密度問題?!?/p>
針對電源技術(shù)的發(fā)展,黃慶義先生也作出了展望:“電源歸根到底還是為其他IC和設(shè)備服務(wù)的。隨著技術(shù)發(fā)展的深入,更集成,更大電流,更小更薄的電源技術(shù)將更多地與其他信號鏈產(chǎn)品組成一個整體的解決方案。因為對終端客戶而言,整個系統(tǒng)的指標(biāo)更為重要,一個能夠通過驗證的整體解決方案,勢必可以大大地縮短產(chǎn)品上市時間,降低開發(fā)風(fēng)險?!?/p>
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