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ADI:做创新技术引领者,电源更加如此

在日前举办的ADI媒体交流会上,ADI电源系统工程总监Lorry Liang梁再信先生针对ADI电源产品的主要应用领域进行了分享。

2017年3月,LTC和ADI正式合并,当时ADI有2万个器件,LTC有2.3万个器件,合并后总共有4.3万个器件,其中电源超过1万个器件。ADI对电源产品保留了Linear的元素,新的子品牌叫Power by Linear。在上万种电源产品中,ADI主要聚焦于工业、通信、汽车电子等领域,不过这并不代表ADI不做消费类市场,但ADI的策略仍然是通过技术创新提升产品价值。

在日前举办的ADI媒体交流会上,ADI电源系统工程总监Lorry Liang梁再信先生针对ADI电源产品的主要应用领域进行了分享。

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ADI电源系统工程总监Lorry Liang梁再信先生

工业4.0:ADI Silent Switcher的两层板设计即可满足EMI要求

Power by Linear产品的三个核心要素是高效率、小尺寸、更好的EMI,助力中国工业4.0的发展。在这个领域中尤其看好半导本设备的成长。“在所有的半导体生产、测试、封装的过程中都有很多设备需要用到电源,在这些设备中空间都非常紧凑,所以我们的电源模块有非常多的机会。我们的Power Module经过十年发展,已经有非常完整的产品序列,半导体设备制造商可以有很好的技术和产品支持,完成具有挑战的设计,用小体积、高效率的产品、在很小的空间里支持更多的器件。”

ADI创新性的Silent Switcher,解决了EMI干扰的问题。Lorry解析,普通的电源是单个电流回路,Silent Switcher芯片上是两个反向电流环,EMI非常低。Silent Switcher经过不断的迭代、优化、升级,一直保持遥遥领先的状态。为了简化设计,我们做了一些测试和对比,比如说LT8609S。过去要解决EMI的问题,大部分的供应商会告诉你,用四层板、六层板加屏蔽、隔离等等,但ADI的Silent Switcher用两层板做一个标准设计就可以满足EMI的标准,而且还有一些余量。当然用四层板更好,只是两层板已经可以满足工业级EMI标准。

另外还有一些不同的创新,从简化设计和应用出发,推出一系列隔离电源产品,把过去传统的隔离电源产品极度简化。只要一个变压器,输出用二极管和滤波电容,不需要其他的反馈,同样可以把效率做得很高,输出稳定性做得非常好。

汽车设计从降低EMI到大功率平衡再到保护器件

Power by Linear产品在汽车领域都有非常多的应用方向,Lidar、Radar、IMU、ECU、48伏系统、LED等热门领域。2016年,ADI发布了业界最低噪声的LT3045,噪声比传统锂电池的噪声还少。测试数据显示,锂电池有2.7μV的噪声,LT3045在同样电流下只有0.8μV,1M以下PSRR值都在78个dB以上。给Lidar、Radar供电的时候可以显著提升性能,使得整个系统的噪声是很小的,让整车和乘客更安全。

Silent Switcher同样获取了汽车Tier 1和车厂的认可,因为汽车领域电源设计一个重要方向就是极大降低EMI,让车身系统更稳定。此外,比如PoDL, 即Power Over Data Line,针对未来汽车的以太网,通过类似ADI创新型方案A2B、C2B一样,PoDL即通过数据线供电,可以节省非常多的电缆施工和重量,提高可靠性,降低施工的难度,节省整车成本。

还有,如何利用LED把汽车的安全性做得更好? 比如奥迪A8矩阵大灯,由非常多的LED单元构成,两车会车时可以利用车身摄像头判断对车位置,系统自动关闭来车那侧的一部分灯,让会车更安全。

包括电源管理、动力总成和娱乐信息等,也非常重要。ADI有一系列的产品在汽车能源的优化上表现优越。

电动汽车中的电池管理系统BMS做得好,有助于汽车安全驾驶更长距离。早几年,Power by Linear的BMS产品比如LTC680X系列在国内非常流行,一度占80%以上的市场份额。ADI还有一系列电源管理配合BMS,比如主动均衡、系统监控等应用。

大部分的混动汽车同时有48伏和12伏系统。如何解决大功率48伏系统和12伏系统之间的平衡和转换?因为48伏系统需要的瞬间功率高达十几千瓦,对业界而言,安全性和可靠性是很大的挑战。Power by Linear针对48V/12V系统有专门的应用方案:双向两相同步降压或升压型控制器LTC3871,当起动汽车或需要额外功率时,LTC3871允许两个电池同时为同一个负载供能,最高可实现97%的效率。48伏发电时,可以降压给12伏系统充电;如果有需要,12V还可给48V补电。除了LTC3871,我们同样有一系列产品可以支持这样48V/12V的转换。

Lorry介绍,传统燃油汽车的发动机,用传统二极管当整流桥,但传统二极管是有压差的,电流越大压差反而不是很好,大概可以有0.4伏到0.7伏的差,这是很大的功率损耗。所以我们做了一个产品,叫理想二极管桥堆,用MOS管代替二极管。这样做的好处是MOS管的阻抗比较低,可以提高效率,比较少的功率损耗,桥堆不需要散热器,非常高的可靠性和可靠的效率,为汽车进一步节省能源、提升运营效率。

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在汽车保护器件方面 ,因为汽车的电瓶和整个系统越来越复杂,系统难免在启动时会有一些瞬间的高压出现,这种高压对系统是非常大的挑战,过去的汽车电子大部分是在12伏系统下工作的,在恶劣的条件下,有可能瞬间到70伏,可能把组件打坏。过去在汽车领域最常见做法是加PVS管,但是3000瓦、6000瓦的PVS管体积比较大,比较难固定,稳定性和可靠性怎么实现?考虑用Surge Stopper,在设定的标准范围之内把瞬间脉冲的干扰电源尖的部分全部消掉。

5G、光通信提供功率密度,1片拇指大小的模块做到100安培

5G来临,设备越来越小,带宽越来越宽,功率也越来越高。中国有上百万个基站,如果把能源密度做高,省电是非常可观的。而通信的未来肯定需要很好的效率和可靠性。

无线基站,模块要求小、集成,供电和散热的问题。新一代的基站设计上,ADI提供了很多很好的设计方案,比如POE,通过传输数据的网线给电源供电。

如果说一个通信板卡需要非常高的功率密度,以FPGA的0.8V内核电压、100A的输出电流为例,2010年我们需要12片LTM4601才可以做到100安培,2012年推出LTM4620,4片就可以达到100安培,LTM4630的时候需要3片,LTM4650的时候2片就可以。最近,我们发布了LTM4700,拇指大小,大概跟铅笔的厚度一样,1片就能做到100安培——这是非常了不起的成就。Lorry特别说道,掌声献给模块设计经理Richard,他的团队在电源模块上花了非常多的时间,推动事情往前发展。它帮助通信公司极大解决了散热、尺寸、体积和运营效率的问题。

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基站使用PoE供电,节省成本,包括运营成本、铺线成本等。PoE供电从at、af、bt到LTPoE++,功率从13W直到90W。最新的POE可以支持150W,也就是说普通的小基站,基本上一根网线过去数据和电源都搞定。POE供电加上模块设计,可以让基站电源的设计更简化。

有线方面,包括POE、Silent Switcher等。有线与无线不同,需要热插拔、非常高的转换效率,也需要一些PSM,就是做电源管理的应用。通信上,局端的设备温度非常高,效率非常重要。

传统的电源,很大的电路,效率大概93%、94%,再往上做很难。通信背板上,48V往下转时,往往面临很多挑战,板上需要更低电压的时候转换效率不高。如果把48伏先转为24伏,下边再做二级的转换,这对系统很有帮助。如何提高效率?我们做了大胆的尝试。对于几百瓦功率电源变化来说,频率不会很高,电感损耗就很大。LTC7820是一款固定比例高电压高功率开关电容器,用CFLY(飞电容) 取代过去损耗比较大的电感,2.8×2.8厘米6毫米厚的模块,从48V到24V,可以推约500W功率,效率在99%左右。

光模块市场前景很大,它最大的挑战是体积,怎么在小体积里放下必不可少的电源?LTM4622和LTM4624非常小体积、非常薄,6.25mm×6.25mm×1.8mm的电源模块,过去在光通信领域有广泛的应用。当然,还在设计比6.25mm还要小的小封装电源模块,助推中国光通信的发展。

电源模块将有三个方向:一是大功率,就刚刚说的100安的输出电流,我们已在研发下一代;二是小体积,比如我们已在研发4mm×4mm产品;三是做薄,比如1.8mm产品。现在客户希望我们能不能做1.5mm甚至更薄。做薄是有难度的,因为它集成了MOS管、电感等,是个完善的模块。

收集并善用能源

另外,能源现在非常重要。高压电搭上通常有电力监控系统,它不可能从高压电塔上取电,ADI提供类似高效率且带优化功能的太阳能电池板来取电,实现无人值守和维护的高效运营。

能量收集方面,能量通过温差、振动获取,ADI也在进一步研发。

例如,振动发电。ADI换能器电源转换芯片LTC3588,配合小体积的换能器可以在0.25G的振动加速度和40赫兹的频率上产生200多微安的电流。这电流看起来很小,如果乘3.3伏,大概功率也就是600微瓦,好像不能用来做什么。但如果有一个电机的监控设备,如果用这个换能器和转换电路可以稳定地给我们的监控电路提供3.3伏、大概0.2毫安的电流,这对于很多微弱电流的监控系统来讲,这个电流已基本足够用,可以实现设备的终身免维护和无人值守。

还有温差发电。测试数据显示,一个3厘米×3厘米TEG连上LTC3108,可以产生3.3伏电压,在10度温差时大概有60微安的电流,200微瓦的功率,30度温差差不多有400微安的电流。设想一个可穿戴设备,环境温度25度身体温度35度,10度温差产生的200微瓦可以使电子器件持续工作下去,就不用充电了。这还不够。正在考虑如何改进温差发电转化技术,已有的能量采集IC能实现把20毫伏的微弱电压升到3.3伏,这已经是非常大的挑战了。可是,目前ADI美国团队在思考如何把换能器功率提高,从200微瓦提高到400微瓦,体积只有目前的1/10。如果这样的器件和换能器实现、发布以后,可以想像ADI将获得全球可穿戴设备市场很大的份额。

为了配合国内工程师使用Power by Linear产品,ADI提供了很多免费的工具。例如,LTPowerCAD,可以做整个电路的规划以及做运算;生成的数据可以导入LTspice仿真工具做进一步的仿真;通信设备上需要电源管理做PSM,做系统的板级电源管理,有开发工具LTpowerPlay;传统ADI的电源产品也有一个仿真工具叫ADIsimPE。这些软件都可以在ADI官网免费下载使用。

不得不说ADI其实在消费电子领域更看中创新带来的价值。Lorry表示智能手机的创新让ADI看到不同以往的前景,例如快速充电,过去传统的电源转换效率只有93%、94%,大电流时损耗更大, 50瓦有7%的损耗。大电流充电面临挑战,而ADI提供芯片级架构,可实现97%以下的充电效率。另外,ADI最近还推出了TOF芯片,用于智能手机3D场景应用,这也是智能手机最热门最具前景的方向,ADI用高品质的产品引领创新潮流。

原创
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