【導(dǎo)讀】有人為你針對工業(yè)4.0、5G通信、智能汽車、清潔能源、物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點這些熱門應(yīng)用，梳理其對基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一的電源正提出什么樣的需求變化，并從上萬種ADI Power by Linear電源產(chǎn)品中精挑細(xì)選了幾大類重中之重的創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)，然后進(jìn)行深入剖析和闡述梳理如何實現(xiàn)“高效率、低EMI和小尺寸”永無止境的創(chuàng)新剛需…..，參加這樣的一場工作坊會是怎樣一種體驗?zāi)兀?/strong>
讓我們通過本文以管窺豹，一起跟隨剛剛在京結(jié)束一場Power Workshop宣講的ADI電源產(chǎn)品中國區(qū)市場總監(jiān)梁再信（Lorry），來感受ADI對市場需求變化的深刻洞察，以及該公司相應(yīng)的創(chuàng)新電源解決方案如何幫助工程師應(yīng)對一系列電源設(shè)計挑戰(zhàn)！
圖1：ADI電源產(chǎn)品中國區(qū)市場總監(jiān)梁再信(Lorry)主講Power Workshop
可靠高效的電源：工業(yè)4.0的重要加速器
工業(yè)4.0應(yīng)用要實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率就會需要滿足以下幾個方面的創(chuàng)新需求：柔性、效率、通信、安全性、可靠性。而所有工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用都離不開電源。在高效率、小體積、低EMI這三個維度，ADI能夠提供非常強(qiáng)大的支持以及一系列創(chuàng)新產(chǎn)品來滿足不同工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域電源的安全性和可靠性要求。
圖2：ADI Power By Linear“三大性能指標(biāo)“同步實現(xiàn)，助力向工業(yè)4.0過渡
在諸如馬達(dá)控制等典型的工業(yè)控制系統(tǒng)中，輸入端的EMI、噪聲對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性都非常關(guān)鍵，與此同時因為現(xiàn)在的系統(tǒng)功耗也是一個問題，為了做合路，過去都會用到二極管，對于高電流的應(yīng)用來講，用普通的二極管會有很多的弊端，ADI創(chuàng)新地推出了理想二極管方案，并為提升整個系統(tǒng)的安全性和效率做了非常多的工作。
例如圖2中的正高電壓理想二極管控制器LTC4357用于驅(qū)動一個外部 N 溝道 MOSFET 以取代一個肖特基二極管，可實現(xiàn)非常低的壓差（MOSFET管的導(dǎo)通電阻是非常低），極大提高效率，從而能夠有效幫助降低功耗、熱耗散、電壓損失并縮減 PC 板面積（無需散熱片），并提高了可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)整體效率。
圖3：工業(yè)控制系統(tǒng)輸入側(cè)的創(chuàng)新——理想二極管方案
在工業(yè)領(lǐng)域，EMI是繞不開的問題。“我們無法想象在一個大批量機(jī)器人的工廠，因為EMI的問題，系統(tǒng)死機(jī)了，造成的影響是非常巨大的。系統(tǒng)死機(jī)的原因有很多種，其中電磁干擾就是一個重要的原因。”Lorry表示。
為了應(yīng)對很難實現(xiàn)的電源超低EMI挑戰(zhàn)，ADI的Silent Switcher技術(shù)特別對噪聲和干擾來源進(jìn)行了深度優(yōu)化。從工程物理的角度實現(xiàn)了突破和創(chuàng)新。它在芯片設(shè)計上做了兩個反向的電流環(huán)，兩個反向回路的最大好處是產(chǎn)生的磁力線是閉合的，對外界EMI的干擾就會小很多。在微觀上，不再用金線去綁定內(nèi)核，而是用倒裝的方式縮減環(huán)路面積，進(jìn)一步讓EMI降到最低。通過一系列工藝的優(yōu)化，就得到了非常好的EMI性能，無需特別優(yōu)化， 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計即可足CISPR25 Class 5 EMI標(biāo)準(zhǔn)。
Lorry舉例了采用Silent Switcher技術(shù)的最新一代LT8614芯片。它不僅通過兩個反向的電流環(huán)路優(yōu)化磁場閉合路徑，同時通過系統(tǒng)環(huán)路優(yōu)化將SW上升沿的振鈴控制得非常小，再加上其高度優(yōu)化的封裝工藝，其EMI相當(dāng)?shù)?。除此之外，它還極大降低了紋波，解決了噪聲問題，將系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都能做得非常不錯。
圖4：Silent Switcher實現(xiàn)超低EMI開關(guān)電源
“Silent Switcher是全球電源技術(shù)過去幾年最大的創(chuàng)新，它是一個技術(shù)平臺，未來ADI Power By Linear’產(chǎn)品都會盡可能的往這個技術(shù)平臺上遷移。”Lorry透露，“在中國機(jī)器人、工業(yè)控制領(lǐng)域，甚至在汽車領(lǐng)域，大部分客戶對Silent Switcher技術(shù)都非常感興趣，因為在過去，幾乎所有工業(yè)客戶或者汽車客戶，光是要解決EMI的認(rèn)證問題都要通過半年的時間去做整改，通過之后才可以上市。Silent Switcher技術(shù)的出現(xiàn)，幫我們客戶節(jié)省了大半年的時間。”
在工業(yè)領(lǐng)域，小體積也是人們推動的一個方向。ADI以µModule為主的寬泛高性能模塊電源模塊產(chǎn)品組合則給業(yè)界帶來一次又一次“小即是大”的驚喜，并且在ADI的電源產(chǎn)品里是一個非常齊全的產(chǎn)品系列。
現(xiàn)在工業(yè)設(shè)計的密度和板卡的復(fù)雜程度越來越高，而且人機(jī)界面、控制、回路、軟件的可靠性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性所花的功夫會越來越多，如何降低客戶設(shè)計難度，加快產(chǎn)品設(shè)計的迭代速度，如何幫助客戶縮減電源電路板的尺寸和電路設(shè)計的復(fù)雜程度？ ADI在10年前就推出劃時代的電源模塊產(chǎn)品µModule，將過去非常復(fù)雜的電源系統(tǒng)集成在一個模塊里，客戶不需要關(guān)注電源的噪聲、紋波，只需像LDO那樣簡單拿過來用就可以了，效率也非常高。
例如，超薄的雙通道、超薄、2.5A 或單 5A 降壓型 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器LTM4622體積只有6.25mmX6.25mmX1.8mm，可提供非常好的性能和輸出。而另一個更高集成度的例子是LTM4668也是針對工業(yè)領(lǐng)域，尺寸是 6.25mmX6.25mm，厚度只有2.1mm。電壓在基于電流反饋模型對整個環(huán)路做控制，可以通過把不同的輸出并聯(lián)在一起，可以得到不同電流的組合。
圖5：Module超薄電源模塊幫助減小PCB占位和集成更多功能
許智能汽車一個安全的未來
無論對于自動駕駛單元、電源/電池管理、動力總成還是信息娛樂系統(tǒng)、車燈照明等等，在汽車電源產(chǎn)品領(lǐng)域的變遷過程中，“安全”始終是一個關(guān)鍵詞，而在ADI提供的創(chuàng)新解決方案中，這一點可能反映為Lorry演講中提到的超低噪聲（電磁干擾）、電池主動均衡和能量優(yōu)化（安全駕駛更長距離）、高低壓雙向轉(zhuǎn)換、新的浪涌和高壓保護(hù)機(jī)制等等創(chuàng)新技術(shù)特性。
激光雷達(dá)、普通雷達(dá)、相關(guān)測量測控單元是未來自動駕駛非常核心和關(guān)鍵的平臺。Lorry介紹說，因為雷達(dá)和激光雷達(dá)的精度和性能、穩(wěn)定性非常重要，所以針對雷達(dá)、射頻、高頻應(yīng)用，ADI推出了全球噪聲最低的幾款電源：如LT3042、LT3045，噪聲只有0.8微伏，與電池差不多。正是這樣技術(shù)的推動和發(fā)展，使ADI能夠為自動駕駛領(lǐng)域提供更好的性能和可靠性，推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
圖6：77/79GHz汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的理想LDO選擇
而針對汽車系統(tǒng)中不同電壓共存在情況，LTC3871的設(shè)計思路就是如Lorry所介紹的，“日益復(fù)雜的車載電子功率增加帶來的電流增加伴隨的更粗的電纜提供更大的電流能力。48V系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了優(yōu)化電纜和車身布線，但是很多系統(tǒng)裝備，依然在短期內(nèi)沒法向48V系統(tǒng)遷移，因此相當(dāng)一段時間內(nèi)，會出現(xiàn)48V系統(tǒng)和12V系統(tǒng)共存的局面，把一個48V的電池組和12V的電池組連接起來，可以雙向供電，并對48V和12V系統(tǒng)進(jìn)行管理。這樣就可以保證在整個汽車系統(tǒng)安全運行的問題。”
圖7：針對48V/12V雙電池應(yīng)用的雙向多相同步降壓/升壓控制器方案
為此，Lorry還在現(xiàn)場為各位媒體展示了上圖這樣的一個系統(tǒng)板，并解釋到：“它的轉(zhuǎn)換功率有2.5千瓦，能夠提供非常好的穩(wěn)定性。這個在新一代48V系統(tǒng)的汽車?yán)锩媸欠浅?biāo)準(zhǔn)的配置，也可實現(xiàn)雙向電壓轉(zhuǎn)換。”
而從汽車系統(tǒng)的安全性和可靠性來講，汽車還會因為電瓶和越來越復(fù)雜的系統(tǒng)而在啟動時或受到意外干擾時會出現(xiàn)瞬間高壓情況，而這很可能導(dǎo)致組件的壞損。傳統(tǒng)的解決方案是加TVS管，但它有比較大的體積和相對高的重量等缺點。那么ADI是怎么解決的呢？
圖8：可替代TVS和保險絲的浪涌抑制器方案
Lorry解答到：“可考慮采用浪涌抑制器（Surge Stopper）系列產(chǎn)品來保護(hù)汽車各種功能模塊。通過反饋環(huán)路和MOSFET控制把瞬間脈沖的干擾電源尖峰部分全部消掉，確保輸出電壓在我們設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，車身系統(tǒng)系統(tǒng)會更加安全。再結(jié)合可控的電源工藝，車身系統(tǒng)就不會因為意外的干擾造成組件損壞。”
直面5G通信的高功率密度高芯片功耗挑戰(zhàn)
眾所周知，從2G、3G、4G到5G，不管是射頻器件還是電源器件，每一次通信系統(tǒng)的迭代里面都有ADI的重度參與。
當(dāng)下的5G通信系統(tǒng)需要非常高的功率密度；因此，芯片的功耗和轉(zhuǎn)換效率面臨較大的調(diào)整。Lorry介紹說：“傳統(tǒng)的DC/DC電源，因為MOSFET的開關(guān)損耗和電感轉(zhuǎn)換損耗的存在，效率沒有辦法在當(dāng)前構(gòu)架下取得突破性進(jìn)展，ADI在研發(fā)了一種沒有電感的變換器LTC7820，可以將效率提升到99%高。但是因為典型工作原理是將輸入電壓對折降壓變換，不能調(diào)整輸出電壓，因此ADI又開發(fā)了一個混合型的開關(guān)電源LTC7821，綜合了無電感高效變換器和高性能降壓電路的優(yōu)點，加以其它技術(shù)與原理應(yīng)用，在輸出電壓可以隨意調(diào)整的同時，依然將效率保持在97%以上。”
圖9：無電感總線轉(zhuǎn)換器LTC7820可在郵票大小的面積上實現(xiàn)97%以上的效率
ADI在通信應(yīng)用的電源技術(shù)創(chuàng)新和調(diào)整方面還做了很多其它的改進(jìn)。比如結(jié)合理想二極管的優(yōu)點支持熱插拔，能夠讓通信系統(tǒng)獲得比以前更好的穩(wěn)定性。以及通過帶數(shù)字接口的電源管理系統(tǒng)可以記錄每一路的電源狀態(tài)、電壓、電流、溫度等，甚至可以控制輸出的電壓。尤其當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時，可以通過PSM得知電路故障所在。因此，PSM的測量和輸出的調(diào)整功能在通信領(lǐng)域越來越受到重用。
圖10：帶數(shù)字接口的電源監(jiān)控系統(tǒng)（PSM）
除了PSM，POE（Power over Ethernet）在通信領(lǐng)域的應(yīng)用也非常的廣。POE可以通過網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)和電源。Lorry分享到：“ADI現(xiàn)在已經(jīng)推出了150瓦的POE的解決方案，此方案最大的好處是可以對通信的應(yīng)用和布局提供高達(dá)150瓦的功率。面對大功率的遠(yuǎn)端設(shè)備供電，150瓦可以提供非常完美的解決方案，這也是我們在通信方面強(qiáng)有力的一個技術(shù)平臺。”
為高效、清潔、可靠的能源系統(tǒng)做配套
能源是關(guān)系國計民生的重要話題。無論對于智能電網(wǎng)、可再生能源生成和存儲、企業(yè)能源管理、電動汽車充電樁基礎(chǔ)設(shè)施等，ADI都能提供很好的配套電源技術(shù)方案。
圖11：ADI擁有完整的太陽能供電的電網(wǎng)監(jiān)控單元FCI方案
常見的電網(wǎng)輸配電通常會有諸如FCI等監(jiān)控設(shè)備，但對于高壓電塔的供電怎么解決呢？Lorry解釋到：“ADI在這種FCI上有非常完整的解決方案。通常通過互感器或太陽能供電，通過高性能MPPT最大功率點跟蹤及充電管理器件的應(yīng)用，電池可以在同樣光照情況下獲得最大的太陽能能量。”
在電力供應(yīng)中，為了保證系統(tǒng)不斷電，ADI還提出用超級電容做備份電源，并為它提供完備的能量存儲和管理方案。比如LTC3350，它對四個法拉電容做監(jiān)控，不僅能夠?qū)﹄娙葑銎胶夂统?放電管理，同時還補(bǔ)充電容的內(nèi)阻，以及自動對所有電容做能量均衡，功能十分強(qiáng)大。
能量采集技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點終身免維護(hù)
針對智能穿戴式設(shè)備以及更多物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點的持續(xù)方便供電問題，ADI做了非常多的探索，能不能把振動、溫差、光、磁場等變成需要的能源呢？為此ADI也推出了一系列創(chuàng)新產(chǎn)品，如圖12。
圖12：ADI提供齊全的能量采集器件。
此外，ADI在其它IoT方向也實現(xiàn)很多重大的突破。比如通過光學(xué)和運動檢測、阻抗、生物電位和信號調(diào)理技術(shù)造就當(dāng)今世界在無線、可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)(VSM)的進(jìn)步的醫(yī)療保健技術(shù)。以及通過精確的地理位置檢測、智能數(shù)據(jù)采集和傳感器融合技術(shù)實現(xiàn)實時自主決策、更高的資源效率、更簡便的互聯(lián)農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)連接的智慧農(nóng)場等。
限于篇幅，筆者無法一次性將Lorry的精彩演講內(nèi)容全部呈現(xiàn)，想最后援引一句Lorry的總結(jié)發(fā)言：“Power By Linear這個子品牌體現(xiàn)了ADI功率產(chǎn)品未來的發(fā)展方向，我們考慮的是如何創(chuàng)新，如何提供高性能方案，并能夠提供全球最好的技術(shù)支持以及最好的可靠性和穩(wěn)定性，幫助客戶在更多熱點和新性市場去拓展自己的創(chuàng)新版圖。”
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