【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(duì)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(huì)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(jì)一款優(yōu)秀的電源產(chǎn)品，需要從多個(gè)方面進(jìn)行突破的，對(duì)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(jì)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(gè)過程中的封裝技術(shù)與系統(tǒng)集成能力同樣至關(guān)重要。”
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(dú)步市場，以先進(jìn)的設(shè)計(jì)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。基于此，也使得ADI衍生出了很多在業(yè)界領(lǐng)先且有特點(diǎn)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(gè)方面，效率、面積和電磁輻射。在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，這三大維度的平衡極具挑戰(zhàn)性，通常優(yōu)化一個(gè)參數(shù)意味著犧牲一個(gè)或多個(gè)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(huì)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(duì)其它器件的干擾以及其它器件對(duì)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(huì)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(shí)現(xiàn)了一些通用的改進(jìn)和巧妙的設(shè)計(jì)理念，使電源設(shè)計(jì)人員能夠再不犧牲效率、EMI特性或瞬態(tài)性能的情況下實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，不管是在時(shí)域或頻域上，開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形都會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩，這就是一項(xiàng)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(huì)對(duì)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。“Silent Switcher技術(shù)可以比較好地解決這個(gè)問題，其架構(gòu)經(jīng)過不斷的迭代、優(yōu)化、升級(jí)，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(shí)間和提升PMW擺率，推動(dòng)轉(zhuǎn)換效率提升至95%，無負(fù)載靜態(tài)電流低至2.5uA，同時(shí)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(xiàng)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(duì)布局的要求非常高，因?yàn)槠湟蟊M可能將這些輸入電容對(duì)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(jì)及整個(gè)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(shí)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。”
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(jí)封裝 (SiP) 解決方案，可最大限度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并幫助客戶縮減電源電路板尺寸和電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)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(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)移到了器件身上，從而縮短了總體設(shè)計(jì)時(shí)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。”黃慶義如此介紹道。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(gè)模塊并聯(lián)起來才能實(shí)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(shí)，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(shí)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。”
針對(duì)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(hào)鏈產(chǎn)品組成一個(gè)整體的解決方案。因?yàn)閷?duì)終端客戶而言，整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)更為重要，一個(gè)能夠通過驗(yàn)證的整體解決方案，勢必可以大大地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。”
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