【導讀】電氣化社會下電源無處不在，不同種類的電源技術(shù)在最初的發(fā)電側(cè)到終端芯片都扮演著重要的角色，一款高度集成的電子產(chǎn)品中電源系統(tǒng)的設計甚至占到了總設計量的50%，導致能耗、效率、輻射和尺寸等等與電源相關(guān)的各種問題也成為了各種系統(tǒng)設計中繞不開的挑戰(zhàn)。例如美國一家數(shù)據(jù)中心曾面臨停電危機，究其原因是ChatGPT等AI大模型訓練量的增加導致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心無法負載日益暴漲的電力需求，正如業(yè)界所講“算力的瓶頸是電力”。
電氣化社會下電源無處不在，不同種類的電源技術(shù)在最初的發(fā)電側(cè)到終端芯片都扮演著重要的角色，一款高度集成的電子產(chǎn)品中電源系統(tǒng)的設計甚至占到了總設計量的50%，導致能耗、效率、輻射和尺寸等等與電源相關(guān)的各種問題也成為了各種系統(tǒng)設計中繞不開的挑戰(zhàn)。例如美國一家數(shù)據(jù)中心曾面臨停電危機，究其原因是ChatGPT等AI大模型訓練量的增加導致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心無法負載日益暴漲的電力需求，正如業(yè)界所講“算力的瓶頸是電力”。
面對數(shù)智化不斷深入，行業(yè)應用日趨廣泛多元、環(huán)境更加極端化，能源相關(guān)的問題迫在眉睫，而電源技術(shù)作為破局關(guān)鍵將以什么樣的高要求與高標準進行突破？對此，長期耕耘在產(chǎn)業(yè)一線的ADI亞太區(qū)電源市場經(jīng)理黃慶義先生分享了自己的見解并深度剖析了目前泛在的高性能電源技術(shù)發(fā)展走向。
既要又要還要，Silent Switcher為電源產(chǎn)品提供標準范式
如何設計一款好的電源產(chǎn)品？“首先，電源作為IC器件，先進的半導體工藝是前提，優(yōu)秀的電路設計水平是保障。其次，從IC到模塊再到最終交付給客戶的系統(tǒng)，封裝技術(shù)與系統(tǒng)集成能力同樣至關(guān)重要。”黃慶義表示道。另一方面，從性能發(fā)展來看，提升效率、減小面積和降低電磁輻射仍是最主要的三大設計維度。在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設計過程中，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。但眾所周知，ADI的電源產(chǎn)品一向以小尺寸、高效率和低EMI著稱。
效率、尺寸與噪聲上的極致追求是高性能電源技術(shù)發(fā)展永恒的趨勢
如今電子設備已經(jīng)成為了現(xiàn)代人日常生活必不可少的一部分，但同樣也帶了不良影響比如電源產(chǎn)生的電磁輻射對健康的潛在危害。此外，電磁輻射還會對設備本身造成損害，影響設備內(nèi)部元器件工作性能，甚至可能導致系統(tǒng)崩潰。業(yè)界也一直在尋求突破，要在電源系統(tǒng)的設計上最大程度降低電磁輻射并且保證最大轉(zhuǎn)換效率。對此，ADI的Silent Switcher技術(shù)通過在集成單片DC/DC轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)了部分改進和巧妙的設計理念，消除了在幾大要素間進行權(quán)衡的難題。
“電磁輻射/噪聲——相信沒有什么能比這幾個字更讓電源設計工程師焦慮了，它來自哪里、怎么消除是整個行業(yè)‘亙古不變’的討論話題。”黃慶義表示。通常，導致電磁噪聲和開關(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。當電路開關(guān)時，開關(guān)節(jié)點波形就會出現(xiàn)明顯的振蕩，這就是一項產(chǎn)生EMI的因素。單純減少該噪聲也并不難，傳統(tǒng)方式是減慢MOSFET開關(guān)邊緣速率，通過減慢內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動器或從外部添加緩沖器就可以實現(xiàn)。但這會導致新的問題，由于增加了開關(guān)損耗，轉(zhuǎn)換器的效率會降低。
因此要想有效減少EMI并改進功能，需要盡量減少電流回路的輻射效應。黃慶義解析，普通的電源是單個電流回路，Silent Switcher采用兩個對稱分布的輸入熱回路。根據(jù)右手定則，這兩個回路產(chǎn)生磁場方向相反，能量相互抵消，從而電氣回路對外沒有凈磁場。因此，Silent Switcher器件無需減慢開關(guān)邊緣速率，這解決了EMI和效率之間的權(quán)衡問題。同時，其架構(gòu)經(jīng)過不斷的迭代、優(yōu)化、升級，產(chǎn)品內(nèi)置了高頻回路電容，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)等效感抗以降低開關(guān)節(jié)點的振鈴，縮短MOS死區(qū)時間，推動電源轉(zhuǎn)換效率，使無負載靜態(tài)電流低至2.5μA，同時電源的輸出紋波也低至10mV以內(nèi)。
Silent Switcher 開關(guān)節(jié)點上的噪聲
值得一提的是，Silent Switcher架構(gòu)使用專有設計和封裝技術(shù)，能夠最大限度在高頻率下實現(xiàn)更高效率，提供更低的EMI性能，并通過使用非常緊湊可靠的設計來通過EMC的測試。由于其支持高電壓輸入、大電流輸出以及非常小的最小導通時間，所以在工業(yè)、醫(yī)療健康、通信、汽車、能源、數(shù)據(jù)中心等等領(lǐng)域都有不錯的表現(xiàn)。
“工業(yè)控制領(lǐng)域的客戶非常歡迎Silent Switcher技術(shù)，因為過去僅是解決EMI的認證問題都要半年的時間。而Silent Switcher技術(shù)的出現(xiàn)，能夠幫客戶節(jié)省該部分成本。”黃慶義分享道，“Silent Switcher同樣獲取了汽車Tier 1和車廠的認可，因為汽車領(lǐng)域電源設計一個重要方向就是極大降低EMI，讓車身系統(tǒng)更穩(wěn)定。”兼顧高效率與EMI特性的Silent Switcher技術(shù)是開關(guān)電源問世以來電源領(lǐng)域的先進成果之一，這項降噪技術(shù)在許多噪聲敏感應用中改善了EMI性能，提高了系統(tǒng)效率，減小了輸出紋波，還進一步有助于縮小解決方案總體尺寸。
多維度適配力Max，μμModule系列成就電源界的“瑞士軍刀”
在一些特定的領(lǐng)域需要定制電源，例如沙漠中承受炙烤的5G無線電收發(fā)機，要保證其正常運行，意味著組件要夠小夠輕，電子系統(tǒng)的效率夠高，產(chǎn)生的熱量就越少，系統(tǒng)才容易保持冷卻和正常運行。例如數(shù)據(jù)中心里正在執(zhí)行上百萬次搜索的服務器群必須具有非常高的功率密度，才能大限度地提高效率，快速傳輸內(nèi)容。要為這種場景從頭開始設計定制電源會有長周期影響產(chǎn)品上市，使設備造價更高，如果有一種模塊化可配置電源將是極好的選擇，讓設計師可以專注于系統(tǒng)級設計。
ADI電源的另一大特色μModule (微型模塊)產(chǎn)品即是這樣的選擇，作為完整的系統(tǒng)級封裝(SiP)解決方案，可最大限度縮短設計時間，并幫助客戶縮減電源電路板尺寸和電路設計復雜度，同時還提高了系統(tǒng)的可靠性。“該系列是將組件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔從設計師轉(zhuǎn)移到了器件身上，從而縮短了總體設計時間和系統(tǒng)故障排除過程，最終加速了產(chǎn)品上市速度。并且μModule在過去多年的發(fā)展過程中衍生了一系列可以匹配目前幾乎所有應用的模塊。”黃慶義指出。
例如當前數(shù)據(jù)中心需要大幅增加電力供應，對相配套的電源設計方案提出了諸多挑戰(zhàn)。尤其是數(shù)據(jù)中心的服務器系統(tǒng)的外形尺寸已經(jīng)固定，要提高ASIC的吞吐量性能則需大幅提高功率密度，而在尺寸限制不變的情況下，開發(fā)人員如何幫助提高吞吐能力？以更高的效率和更小的尺寸提供更多功率的μModule系列是極佳選擇：隨著功率密度的要求越來越高，為了保證輸出大電流，此前需要很多個模塊并聯(lián)起來才能實現(xiàn)，現(xiàn)在通過單個模塊就能實現(xiàn)。比如μModule新系列產(chǎn)品LTM4681能在22mm x 15mm的面積內(nèi)輸出單路125A或四路31.25A的電流，可滿足ASIC、GPU和FPGA等IC的需求，能夠輕松為低電壓和高電流的先進數(shù)字設備供電。
高功率密度的電源模塊
另一方面，在外形尺寸的約束下越來越多的功能被納入PCB，電路板上為其供電所需的總功率水平也在增加，所以散熱也很重要。但由于散熱空間存在限制，氣流量有限，設備的性能和長期可靠性受到挑戰(zhàn)。“在許多情況下，由于空間限制，我們的客戶只能將電源放在PCB的背面，我們開發(fā)超薄的電源模塊，常規(guī)尺寸1.8mm，最薄可到1.18mm，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。”黃慶義解釋道。
電源優(yōu)化迭代探索不止，“更小更安靜更高效”持續(xù)升級
在汽車、工業(yè)、通信、能源等領(lǐng)域飛速發(fā)展的今天，市場對高性能電源技術(shù)的渴求愈演愈烈，業(yè)界不乏深耕電源領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)。 ADI作為該行業(yè)領(lǐng)先者，能夠始終憑借自身的高性能電源技術(shù)和解決方案引領(lǐng)市場，是源于背后數(shù)十年在半導體領(lǐng)域的技術(shù)沉淀以及精益求精地不斷創(chuàng)新精神。
縱觀Silent Switcher技術(shù)的發(fā)展，最初的Silent Switcher已經(jīng)滿足低電磁輻射、高效率、高開關(guān)頻率三種需求，無需權(quán)衡取舍。但因其需要對非常高要求的布局才能發(fā)揮磁場相互抵消的優(yōu)勢，于是為了確保在設計及整個生產(chǎn)過程中的正確布局，Silent Switcher 2誕生，其將電容集成在新LQFN封裝內(nèi)，盡可能靠近芯片放置，將熱回路做到最小，從而降低了EMI，也進一步簡化了PCB板的布局要求，使得PCB布板更加方便靈活。
Silent Switcher技術(shù)的演進路線圖
據(jù)黃慶義介紹，如今的Silent Switcher 3在過去的基礎上又新增了超低噪聲設計，包含高增益誤差放大器，提供超低EMI輻射和快速瞬態(tài)響應，使得它輸出的噪聲非常接近LDO的水平，同時其封裝也進行了很多的優(yōu)化，使得該系列新品LT8627SP在2 MHz以上的開關(guān)頻率下也能輕松運行，有助于改善紋波、尺寸、噪聲和帶寬。值得一提的是，ADI仍在繼續(xù)開發(fā)Silent Switcher技術(shù)，以進一步降低系統(tǒng)噪聲水平，不斷擴大應用范圍。
大電流電源模塊的演進
另一方面，μModule系列同樣如此，在大電流的實現(xiàn)上不斷進階，從2010年時ADI需要12片LTM4601才可以做到144A，到LTM4700問世只需1片就能做到100A，在LTM4681推出之后，甚至在22mm×15mm的面積之內(nèi)，就能輸出單路125A或四路31.25A的電流。同時，厚度還在不斷變薄，從LTM4631的1.91mm，到LTM4632的1.82mm, 再到LTM4663的1.3mm，最后甚至到LTM4691的1.18mm, 模塊的厚度幾乎達到和分立器件的厚度相當?shù)乃健｜S慶義舉例道：“以光模塊為例， 超薄外形的μModule可以安裝在電路板的背面，這大大節(jié)省了寶貴的PCB面積，簡化了電源的設計。”
超薄電源模塊的演進
“ADI在電源領(lǐng)域的探索不會停止。此前對美信的并購，也進一步擴充了ADI電源產(chǎn)品組合。”黃慶義最后表示，“確保客戶的電子系統(tǒng)以最佳效率、最佳性能運行是ADI的承諾，我們會繼續(xù)提供創(chuàng)新、高性能的電源方案，為行業(yè)發(fā)展提供最好的技術(shù)支持。”
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