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电源创新紧贴这些热门应用,一起来给趋势和新技术划重点

导读: 有人为你针对工业4.0、5G通信、智能汽车、清洁能源、物联网边缘节点这些热门应用,梳理其对基础支撑技术之一的电源正提出什么样的需求变化。

有人为你针对工业4.0、5G通信、智能汽车、清洁能源、物联网边缘节点这些热门应用,梳理其对基础支撑技术之一的电源正提出什么样的需求变化,并从上万种ADI Power by Linear电源产品中精挑细选了几大类重中之重的创新产品和技术,然后进行深入剖析和阐述梳理如何实现“高效率、低EMI和小尺寸”永无止境的创新刚需,参加这样的一场工作坊会是怎样一种体验呢?

让我们通过本文以管窥豹,一起跟随刚刚在京结束一场Power Workshop宣讲的ADI电源产品中国区市场总监梁再信(Lorry),来感受ADI对市场需求变化的深刻洞察,以及该公司相应的创新电源解决方案如何帮助工程师应对一系列电源设计挑战。

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图1:ADI电源产品中国区市场总监梁再信(Lorry)主讲Power Workshop

可靠高效的电源:工业4.0的重要加速器

工业4.0应用要实现更高的生产率就会需要满足以下几个方面的创新需求:柔性、效率、通信、安全性、可靠性。而所有工业产品的应用都离不开电源。在高效率、小体积、低EMI这三个维度,ADI能够提供非常强大的支持以及一系列创新产品来满足不同工业应用领域电源的安全性和可靠性要求。

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图2:ADI Power By Linear“三大性能指标“同步实现,助力向工业4.0过渡

在诸如马达控制等典型的工业控制系统中,输入端的EMI、噪声对整个系统的稳定性都非常关键,与此同时因为现在的系统功耗也是一个问题,为了做合路,过去都会用到二极管,对于高电流的应用来讲,用普通的二极管会有很多的弊端,ADI创新地推出了理想二极管方案,并为提升整个系统的安全性和效率做了非常多的工作。

例如图2中的正高电压理想二极管控制器LTC4357用于驱动一个外部 N 沟道 MOSFET 以取代一个肖特基二极管,可实现非常低的压差(MOSFET管的导通电阻是非常低),极大提高效率,从而能够有效帮助降低功耗、热耗散、电压损失并缩减 PC 板面积(无需散热片),并提高了可靠性,增强了系统整体效率。

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图3:工业控制系统输入侧的创新——理想二极管方案

在工业领域,EMI是绕不开的问题。“我们无法想象在一个大批量机器人的工厂,因为EMI的问题,系统死机了,造成的影响是非常巨大的。系统死机的原因有很多种,其中电磁干扰就是一个重要的原因。”Lorry表示。

为了应对很难实现的电源超低EMI挑战,ADI的Silent Switcher技术特别对噪声和干扰来源进行了深度优化。从工程物理的角度实现了突破和创新。它在芯片设计上做了两个反向的电流环,两个反向回路的最大好处是产生的磁力线是闭合的,对外界EMI的干扰就会小很多。在微观上,不再用金线去绑定内核,而是用倒装的方式缩减环路面积,进一步让EMI降到最低。通过一系列工艺的优化,就得到了非常好的EMI性能,无需特别优化, 标准设计即可足CISPR25 Class 5 EMI标准。

Lorry举例了采用Silent Switcher技术的最新一代LT8614芯片。它不仅通过两个反向的电流环路优化磁场闭合路径,同时通过系统环路优化将SW上升沿的振铃控制得非常小,再加上其高度优化的封装工艺,其EMI相当低。除此之外,它还极大降低了纹波,解决了噪声问题,将系统的可靠性、稳定性都能做得非常不错。

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图4:Silent Switcher实现超低EMI开关电源

“Silent Switcher是全球电源技术过去几年最大的创新,它是一个技术平台,未来ADI Power By Linear’产品都会尽可能的往这个技术平台上迁移。”Lorry透露,“在中国机器人、工业控制领域,甚至在汽车领域,大部分客户对Silent Switcher技术都非常感兴趣,因为在过去,几乎所有工业客户或者汽车客户,光是要解决EMI的认证问题都要通过半年的时间去做整改,通过之后才可以上市。Silent Switcher技术的出现,帮我们客户节省了大半年的时间。”

在工业领域,小体积也是人们推动的一个方向。ADI以Module为主的宽泛高性能模块电源模块产品组合则给业界带来一次又一次“小即是大”的惊喜,并且在ADI的电源产品里是一个非常齐全的产品系列。

现在工业设计的密度和板卡的复杂程度越来越高,而且人机界面、控制、回路、软件的可靠性、系统的稳定性所花的功夫会越来越多,如何降低客户设计难度,加快产品设计的迭代速度,如何帮助客户缩减电源电路板的尺寸和电路设计的复杂程度? ADI在10年前就推出划时代的电源模块产品Module,将过去非常复杂的电源系统集成在一个模块里,客户不需要关注电源的噪声、纹波,只需像LDO那样简单拿过来用就可以了,效率也非常高。

例如,超薄的双通道、超薄、2.5A 或单 5A 降压型 DC/DC μModule 稳压器LTM4622体积只有6.25mmX6.25mmX1.8mm,可提供非常好的性能和输出。而另一个更高集成度的例子是LTM4668也是针对工业领域,尺寸是 6.25mmX6.25mm,厚度只有2.1mm。电压在基于电流反馈模型对整个环路做控制,可以通过把不同的输出并联在一起,可以得到不同电流的组合。

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图5:Module超薄电源模块帮助减小pcb占位和集成更多功能

许智能汽车一个安全的未来

无论对于自动驾驶单元、电源/电池管理、动力总成还是信息娱乐系统、车灯照明等等,在汽车电源产品领域的变迁过程中,“安全”始终是一个关键词,而在ADI提供的创新解决方案中,这一点可能反映为Lorry演讲中提到的超低噪声(电磁干扰)、电池主动均衡和能量优化(安全驾驶更长距离)、高低压双向转换、新的浪涌和高压保护机制等等创新技术特性。

激光雷达、普通雷达、相关测量测控单元是未来自动驾驶非常核心和关键的平台。Lorry介绍说,因为雷达和激光雷达的精度和性能、稳定性非常重要,所以针对雷达、射频、高频应用,ADI推出了全球噪声最低的几款电源:如LT3042、LT3045,噪声只有0.8微伏,与电池差不多。正是这样技术的推动和发展,使ADI能够为自动驾驶领域提供更好的性能和可靠性,推动产业的发展。

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图6:77/79GHz汽车雷达应用的理想LDO选择

而针对汽车系统中不同电压共存在情况,LTC3871的设计思路就是如Lorry所介绍的,“日益复杂的车载电子功率增加带来的电流增加伴随的更粗的电缆提供更大的电流能力。48V系统的出现是为了优化电缆和车身布线,但是很多系统装备,依然在短期内没法向48V系统迁移,因此相当一段时间内,会出现48V系统和12V系统共存的局面,把一个48V的电池组和12V的电池组连接起来,可以双向供电,并对48V和12V系统进行管理。这样就可以保证在整个汽车系统安全运行的问题。”

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图7:针对48V/12V双电池应用的双向多相同步降压/升压控制器方案

为此,Lorry还在现场为各位媒体展示了上图这样的一个系统板,并解释到:“它的转换功率有2.5千瓦,能够提供非常好的稳定性。这个在新一代48V系统的汽车里面是非常标准的配置,也可实现双向电压转换。”

而从汽车系统的安全性和可靠性来讲,汽车还会因为电瓶和越来越复杂的系统而在启动时或受到意外干扰时会出现瞬间高压情况,而这很可能导致组件的坏损。传统的解决方案是加TVS管,但它有比较大的体积和相对高的重量等缺点。那么ADI是怎么解决的呢?

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图8:可替代TVS和保险丝的浪涌抑制器方案

Lorry解答到:“可考虑采用浪涌抑制器(Surge Stopper)系列产品来保护汽车各种功能模块。通过反馈环路和MOSFET控制把瞬间脉冲的干扰电源尖峰部分全部消掉,确保输出电压在我们设定的标准范围之内,车身系统系统会更加安全。再结合可控的电源工艺,车身系统就不会因为意外的干扰造成组件损坏。”

直面5G通信的高功率密度高芯片功耗挑战

众所周知,从2G、3G、4G到5G,不管是射频器件还是电源器件,每一次通信系统的迭代里面都有ADI的重度参与。

当下的5G通信系统需要非常高的功率密度;因此,芯片的功耗和转换效率面临较大的调整。Lorry介绍说:“传统的DC/DC电源,因为MOSFET的开关损耗和电感转换损耗的存在,效率没有办法在当前构架下取得突破性进展,ADI在研发了一种没有电感的变换器LTC7820,可以将效率提升到99%高。但是因为典型工作原理是将输入电压对折降压变换,不能调整输出电压,因此ADI又开发了一个混合型的开关电源LTC7821,综合了无电感高效变换器和高性能降压电路的优点,加以其它技术与原理应用,在输出电压可以随意调整的同时,依然将效率保持在97%以上。”

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图9:无电感总线转换器LTC7820可在邮票大小的面积上实现97%以上的效率

ADI在通信应用的电源技术创新和调整方面还做了很多其它的改进。比如结合理想二极管的优点支持热插拔,能够让通信系统获得比以前更好的稳定性。以及通过带数字接口的电源管理系统可以记录每一路的电源状态、电压、电流、温度等,甚至可以控制输出的电压。尤其当系统不稳定时,可以通过PSM得知电路故障所在。因此,PSM的测量和输出的调整功能在通信领域越来越受到重用。

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图10:带数字接口的电源监控系统(PSM)

除了PSM,POE(Power  over  Ethernet)在通信领域的应用也非常的广。POE可以通过网线传输数据和电源。Lorry分享到:“ADI现在已经推出了150瓦的POE的解决方案,此方案最大的好处是可以对通信的应用和布局提供高达150瓦的功率。面对大功率的远端设备供电,150瓦可以提供非常完美的解决方案,这也是我们在通信方面强有力的一个技术平台。”

为高效、清洁、可靠的能源系统做配套

能源是关系国计民生的重要话题。无论对于智能电网、可再生能源生成和存储、企业能源管理、电动汽车充电桩基础设施等,ADI都能提供很好的配套电源技术方案。

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图11:ADI拥有完整的太阳能供电的电网监控单元FCI方案

常见的电网输配电通常会有诸如FCI等监控设备,但对于高压电塔的供电怎么解决呢?Lorry解释到:“ADI在这种FCI上有非常完整的解决方案。通常通过互感器或太阳能供电,通过高性能MPPT最大功率点跟踪及充电管理器件的应用,电池可以在同样光照情况下获得最大的太阳能能量。”

在电力供应中,为了保证系统不断电,ADI还提出用超级电容做备份电源,并为它提供完备的能量存储和管理方案。比如LTC3350,它对四个法拉电容做监控,不仅能够对电容做平衡和充/放电管理,同时还补充电容的内阻,以及自动对所有电容做能量均衡,功能十分强大。

能量采集技术创新,实现物联网节点终身免维护

针对智能穿戴式设备以及更多物联网终端节点的持续方便供电问题,ADI做了非常多的探索,能不能把振动、温差、光、磁场等变成需要的能源呢?为此ADI也推出了一系列创新产品,如图12。

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图12:ADI提供齐全的能量采集器件

此外,ADI在其它IoT方向也实现很多重大的突破。比如通过光学和运动检测、阻抗、生物电位和信号调理技术造就当今世界在无线、可穿戴生命体征监护(VSM)的进步的医疗保健技术。以及通过精确的地理位置检测、智能数据采集和传感器融合技术实现实时自主决策、更高的资源效率、更简便的互联农场生态系统连接的智慧农场等。

限于篇幅,笔者无法一次性将Lorry的精彩演讲内容全部呈现,想最后援引一句Lorry的总结发言:“Power By Linear这个子品牌体现了ADI功率产品未来的发展方向,我们考虑的是如何创新,如何提供高性能方案,并能够提供全球最好的技术支持以及最好的可靠性和稳定性,帮助客户在更多热点和新性市场去拓展自己的创新版图。”

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