广告

泛在高性能电源技术和解决方案如何演进

如果要获得一个技术非常先进、水平非常高的电源,就需要从很多方面进行突破。能效、面积和电磁辐射就是三个要考虑的重要指标。

电源无处不在,从发电侧一直到芯片端,包含不同种类的电源。它可以分成几个类别,从交流电过来,也即通常所讲的一次电源,需要做功率校正、大功率的拓扑、DC/DC的变化等等,有可能需要从交流转成直流。经过直流侧之后,到了用户的单板,有可能会涉及接口的防护,热插拔、浪涌的抑制,以及以太网供电。到了单板之后,转成了直流电,可能需要进行二次转换,也有可能根据不同的应用要求,要经过二次隔离,所以在单板上会有二次电源。lWfesmc

lWfesmc

这些电源的种类很多,例如IC的控制,可能会有不同的PWM控制,需要有不同的拓扑。对电源进行隔离,也会涉及到IGBT、碳化硅、辅助电源等器件。电源最根本的目的是为了给后面的信号链、控制芯片供电。所以最关键的芯片侧供电有很多,例如三次电源,包括POL,有升压的、降压的、升降压的,甚至多相。对于噪声比较敏感的,有可能还需要低噪声的LDO,给信号链的产品供电。lWfesmc

围绕三次电源,可能对电源的要求比较高,有可能需要衍生出对电源的监控,比如持续控制。这些器件是为了确保对电源有比较好的监控以及控制。如果看电源种类的话,五花八门,从很高的电压到很低的电压,从很大的功率到很低的功率。涉及到的拓扑也非常多,有隔离的拓扑,非隔离的拓扑等等。因此,电源是个多学科交叉的领域。lWfesmc

ADI在这么多年的发展过程中,通过公司合并,整合了相关的技术。在第11届EEVIA年度中国硬科技媒体论坛暨产业链研创趋势展望研讨会上,ADI公司亚太区电源市场经理黄庆义带来了“泛在的高性能电源技术和解决方案正在如何演进”的主题演讲。他认为,如果要获得一个技术非常先进、水平非常高的电源,就需要从很多方面进行突破。lWfesmc

lWfesmc

lWfesmc

ADI公司亚太区电源市场经理黄庆义lWfesmc

lWfesmc

首先,如果是做一个非常好的IC,就需要先进的工艺,从而使做出来的参数比较好。有了比较好的半导体工艺之后,还需要比较好的电路设计水平。对电力电子在各方面涉及的技术,就需要比较深的积累。lWfesmc

另一方面,把它做成IC,后面可能还会做成模块,所以封装技术也非常重要,因为如果想要减小体积,目前不管是芯片级还是模块级、系统级的封装都很重要。如果单从半导体到芯片再到模块,最终客户看到的是一个系统。所以如果有一个非常先进的电力电子设备,还需要有先进的系统集成能力。lWfesmc

纵观ADI的发展,原美信有一些先进的工艺,结合它在系统端,比如现在大功率也有很多耦合电感的专利。加之ADI在IC设计方面也有比较先进的技术。ADI基于这几个方面,衍生出了很多在业界比较领先、比较有特点的一些方向和技术。例如Silent Switcher技术,还有模块的技术,各种技术的类型都代表了它在行业中应用的需求以及市场的发展方向。lWfesmc

lWfesmc

传统的电源开关噪声比较大,Silent Switcher的技术可以在很大程度上降低开关噪声。lWfesmc

模块,则大大降低了电源设计的面积,同时大幅提高可靠性。lWfesmc

LDO,噪声水平非常接近电池,甚至比电池噪声还要低,这样就使用户在进行噪声敏感的电路设计时,可以获得比较好的电源保障。lWfesmc

还有功耗越来越低,到纳安级别的电源,也是希望有更可靠、更稳定的电源设计。此外,对功率保护、电源诊断类电源的需求会越来越强烈。lWfesmc

这些是电源领域市场需求比较强烈,也是发展非常迅速的几个方向。lWfesmc

Silent Switcher和模块两种技术在市场上如何发展,解决目前遇到的哪些问题

能效。能效是电源的重要指标,业界一直在致力于提高电力电子的效率,从原来的线性电源提升到开关电源,包括现在有的电力电子达到99%的效率。因此,电源的效率在各领域都是大家绕不开的话题。如果能够节约能耗,就无疑能够带来巨大的经济效益。lWfesmc

面积。现在各种设备都越来越小,都希望最大限度地降低它的面积,比如减小器件的面积,减小设备的大小。这样就可以节约空间,从而在有效的空间里面放更多的电源,更大地提高电源功率密度。lWfesmc

电磁辐射。因为电力电子都放得非常密集,有可能带来电池干扰和辐射很大,这也是大家关注的一个领域。特别现在的电源都切换到开关电源领域,所以它引起的噪声辐射非常大。如果一方面想获得小体积、高效率,另一方面又想没有电磁辐射,这就非常困难。大家都在朝这个方向不停地努力。lWfesmc

ADI独特的技术就非常好地解决了现在面临的问题。例如,Silent Switcher技术,如以下电路示意图所示,当这些开关器件在电路中进行高速开关的时候,会产生很多很高的di/dt,因此会产生很高的振荡。不管是在时域上看还是频域上看,都非常明显。时域上看波形会发现它的振荡非常明显,高速开关加上线路中的寄生电感,再加上引起的di/dt,所以在开关的节点就会形成很高的尖峰。因为这些尖峰经过傅里叶分解之后,在频谱上会出现高次谐波。如果是一侧的EMC,则有可能在某个频点就过不了,所以这是大家所不希望看到的。不管是从器件的可靠性,还是电磁辐射上,都是不太好的。lWfesmc

lWfesmc

那么,如何解决这些问题呢?传统的做法是降低开关的频率,把开关的速度降低,这样就使得振铃比较小。但这种方法会增加开关电源的损耗。本身还想提高效率,这样做反而使效率变得很低。ADI的Silent Switcher技术可以比较好地解决这个问题。在比较高的开关频率的同时,振铃减小,产生的EMI比较低,通过傅里叶变换的谐波分量也会低很多。lWfesmc

另外,因为开关频率很高,所以选用的磁性器件会比较小。这些纹波都跟开关频率非常有关系,像电感以及输出电容都能大大地降低尺寸。因此,在实现很高开关频率的同时,还能保持比较高的效率,同时尺寸又比较小。这是Silent Switcher技术带来的好处。lWfesmc

它为什么会产生这些好处呢?如对比图所示,一些普通的电源引起的振铃比较大,但用Silent Switcher产生的振铃幅度很低。因此,测得的频谱数值相对比较低,这是它带来的一个好处。lWfesmc

为什么能把开关频率做得很高,还有一点。其所产生负压的部分很低,在buck电路中的死区时间非常短,这样就使得流过体二极管的时间也会比较短。所以总体来看,采用这种技术带来的效率提升非常明显。lWfesmc

lWfesmc

以下是Silent Switcher发展的历程,目前已经到了Silent Switcher 3这一代。最开始芯片需要在外部加电容。后面把电容集成到了芯片中。到了Silent Switcher 3,它还增加了一个额外的优势,就是它在普通的DC/DC性能之上,还增加了一个低噪声功能。这使得它输出的噪声非常接近LDO的水平,所以对于很大电流的应用,如果不太想用LDO的,用Silent Switcher 3的技术就非常好。它的封装也有很多的优化,超低的低频噪声、超快的瞬态响应,而使得Silent Switcher 3能够很好地解决效率、面积、电子辐射所带来的问题。lWfesmc

lWfesmc

还有一类比较有特点的是电源模块,比较能代表电源发展的方向。现在的电源尺寸越来越小,把外围电路全都集成在非常小的模块里面,从而大大地降低了电源尺寸,同时为客户设计带来了很大的便利。相当于只用一个模块就可以实现很多功能。lWfesmc

ADI有很多这种类型的模块,比如超低噪声的、超薄的、带监控的,也有一些电流特别大的,多路输出可以并联的,像这样一些电源可以供大家选择。lWfesmc

lWfesmc

下图清晰地展示了ADI的大电流电源模块多年的发展历程。lWfesmc

lWfesmc

其中一个很明显的变化就是,不管是什么样的电源,其功率密度会越来越高。大概十多年前,为了输出很大的电流,需要很多个模块并联起来才能输出。但到了今天,比如2021年发布的LTM4681,22mm×15mm的面积之内,可以输出单路125A或四路31.25A的电流。看这些IC模块的发展,大家都是希望进一步地减小面积,提高效率,让客户使用起来越来越简单。这是ADI大电流电源模块的发展方向。lWfesmc

ADI还有很多不同的电源模块,因为模块利用这些技术又产生很多分支。在对高度要求非常高的地方,有的需要把模块放在底部,ADI针对此类应用有超薄电源模块。比如有到1.8mm的,最薄的到1.3mm。lWfesmc

lWfesmc

电源整体的发展方向是,越来越集成,电流越来越大,厚度越来越薄。现在大家提得比较多的就是解决方案,因为电源归根到底还是为很多其他的IC和设备服务的。如果单做一个电源,还需要了解这后面电源供电的器件,了解其电源要求。终端的客户比较在意的是系统的指标,比如射频的输出等等。lWfesmc

另外大家谈论比较多的,就是怎么把电源方案跟其他的信号链产品放在一起。这样做有很多好处,比如这样一个解决方案,对客户而言,它需要验证整个解决方案,就可以直接测输出的性能,不再关心电源的纹波、动态的效率,可能更关注直接的射频输出或影像的输出等。所以对于整个解决方案帮助很大。lWfesmc

lWfesmc

客户对整个解决方案经过验证之后,可以大大地缩短产品推向市场的时间,因为电源跟信号类产品经过测试验证,对缩短推向市场的时间、对降低产品开发的风险非常有帮助。lWfesmc

现在越来越多的客户和IC公司,谈论比较多的是把电源和信号链做成一个整体解决方案,推向市场。lWfesmc

责编:Zengde.Xia
赵明灿
电子技术设计(EDN China)资深技术分析师。
  • 微信扫一扫,一键转发

  • 关注“国际电子商情” 微信公众号

近期热点

广告
广告

EE直播间

更多>>

在线研讨会

更多>>