【導(dǎo)讀】有人為你針對(duì)工業(yè)4.0、5G通信、智能汽車、清潔能源、物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)這些熱門應(yīng)用，梳理其對(duì)基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一的電源正提出什么樣的需求變化，并從上萬(wàn)種ADI Power by Linear電源產(chǎn)品中精挑細(xì)選了幾大類重中之重的創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)，然后進(jìn)行深入剖析和闡述梳理如何實(shí)現(xiàn)“高效率、低EMI和小尺寸”永無(wú)止境的創(chuàng)新剛需…..，參加這樣的一場(chǎng)工作坊會(huì)是怎樣一種體驗(yàn)?zāi)兀?/strong>
讓我們通過本文以管窺豹，一起跟隨剛剛在京結(jié)束一場(chǎng)Power Workshop宣講的ADI電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)梁再信（Lorry），來(lái)感受ADI對(duì)市場(chǎng)需求變化的深刻洞察，以及該公司相應(yīng)的創(chuàng)新電源解決方案如何幫助工程師應(yīng)對(duì)一系列電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)！
圖1：ADI電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)梁再信(Lorry)主講Power Workshop
可靠高效的電源：工業(yè)4.0的重要加速器
工業(yè)4.0應(yīng)用要實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率就會(huì)需要滿足以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新需求：柔性、效率、通信、安全性、可靠性。而所有工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用都離不開電源。在高效率、小體積、低EMI這三個(gè)維度，ADI能夠提供非常強(qiáng)大的支持以及一系列創(chuàng)新產(chǎn)品來(lái)滿足不同工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域電源的安全性和可靠性要求。
圖2：ADI Power By Linear“三大性能指標(biāo)“同步實(shí)現(xiàn)，助力向工業(yè)4.0過渡
在諸如馬達(dá)控制等典型的工業(yè)控制系統(tǒng)中，輸入端的EMI、噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都非常關(guān)鍵，與此同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)在的系統(tǒng)功耗也是一個(gè)問題，為了做合路，過去都會(huì)用到二極管，對(duì)于高電流的應(yīng)用來(lái)講，用普通的二極管會(huì)有很多的弊端，ADI創(chuàng)新地推出了理想二極管方案，并為提升整個(gè)系統(tǒng)的安全性和效率做了非常多的工作。
例如圖2中的正高電壓理想二極管控制器LTC4357用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 以取代一個(gè)肖特基二極管，可實(shí)現(xiàn)非常低的壓差（MOSFET管的導(dǎo)通電阻是非常低），極大提高效率，從而能夠有效幫助降低功耗、熱耗散、電壓損失并縮減 PC 板面積（無(wú)需散熱片），并提高了可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)整體效率。
圖3：工業(yè)控制系統(tǒng)輸入側(cè)的創(chuàng)新——理想二極管方案
在工業(yè)領(lǐng)域，EMI是繞不開的問題。“我們無(wú)法想象在一個(gè)大批量機(jī)器人的工廠，因?yàn)镋MI的問題，系統(tǒng)死機(jī)了，造成的影響是非常巨大的。系統(tǒng)死機(jī)的原因有很多種，其中電磁干擾就是一個(gè)重要的原因。”Lorry表示。
為了應(yīng)對(duì)很難實(shí)現(xiàn)的電源超低EMI挑戰(zhàn)，ADI的Silent Switcher技術(shù)特別對(duì)噪聲和干擾來(lái)源進(jìn)行了深度優(yōu)化。從工程物理的角度實(shí)現(xiàn)了突破和創(chuàng)新。它在芯片設(shè)計(jì)上做了兩個(gè)反向的電流環(huán)，兩個(gè)反向回路的最大好處是產(chǎn)生的磁力線是閉合的，對(duì)外界EMI的干擾就會(huì)小很多。在微觀上，不再用金線去綁定內(nèi)核，而是用倒裝的方式縮減環(huán)路面積，進(jìn)一步讓EMI降到最低。通過一系列工藝的優(yōu)化，就得到了非常好的EMI性能，無(wú)需特別優(yōu)化， 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)即可足CISPR25 Class 5 EMI標(biāo)準(zhǔn)。
Lorry舉例了采用Silent Switcher技術(shù)的最新一代LT8614芯片。它不僅通過兩個(gè)反向的電流環(huán)路優(yōu)化磁場(chǎng)閉合路徑，同時(shí)通過系統(tǒng)環(huán)路優(yōu)化將SW上升沿的振鈴控制得非常小，再加上其高度優(yōu)化的封裝工藝，其EMI相當(dāng)?shù)汀３酥猓€極大降低了紋波，解決了噪聲問題，將系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都能做得非常不錯(cuò)。
圖4：Silent Switcher實(shí)現(xiàn)超低EMI開關(guān)電源
“Silent Switcher是全球電源技術(shù)過去幾年最大的創(chuàng)新，它是一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，未來(lái)ADI Power By Linear’產(chǎn)品都會(huì)盡可能的往這個(gè)技術(shù)平臺(tái)上遷移。”Lorry透露，“在中國(guó)機(jī)器人、工業(yè)控制領(lǐng)域，甚至在汽車領(lǐng)域，大部分客戶對(duì)Silent Switcher技術(shù)都非常感興趣，因?yàn)樵谶^去，幾乎所有工業(yè)客戶或者汽車客戶，光是要解決EMI的認(rèn)證問題都要通過半年的時(shí)間去做整改，通過之后才可以上市。Silent Switcher技術(shù)的出現(xiàn)，幫我們客戶節(jié)省了大半年的時(shí)間。”
在工業(yè)領(lǐng)域，小體積也是人們推動(dòng)的一個(gè)方向。ADI以µModule為主的寬泛高性能模塊電源模塊產(chǎn)品組合則給業(yè)界帶來(lái)一次又一次“小即是大”的驚喜，并且在ADI的電源產(chǎn)品里是一個(gè)非常齊全的產(chǎn)品系列。
現(xiàn)在工業(yè)設(shè)計(jì)的密度和板卡的復(fù)雜程度越來(lái)越高，而且人機(jī)界面、控制、回路、軟件的可靠性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性所花的功夫會(huì)越來(lái)越多，如何降低客戶設(shè)計(jì)難度，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)的迭代速度，如何幫助客戶縮減電源電路板的尺寸和電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度？ ADI在10年前就推出劃時(shí)代的電源模塊產(chǎn)品µModule，將過去非常復(fù)雜的電源系統(tǒng)集成在一個(gè)模塊里，客戶不需要關(guān)注電源的噪聲、紋波，只需像LDO那樣簡(jiǎn)單拿過來(lái)用就可以了，效率也非常高。
例如，超薄的雙通道、超薄、2.5A 或單 5A 降壓型 DC/DC μModule 穩(wěn)壓器LTM4622體積只有6.25mmX6.25mmX1.8mm，可提供非常好的性能和輸出。而另一個(gè)更高集成度的例子是LTM4668也是針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域，尺寸是 6.25mmX6.25mm，厚度只有2.1mm。電壓在基于電流反饋模型對(duì)整個(gè)環(huán)路做控制，可以通過把不同的輸出并聯(lián)在一起，可以得到不同電流的組合。
圖5：Module超薄電源模塊幫助減小PCB占位和集成更多功能
許智能汽車一個(gè)安全的未來(lái)
無(wú)論對(duì)于自動(dòng)駕駛單元、電源/電池管理、動(dòng)力總成還是信息娛樂系統(tǒng)、車燈照明等等，在汽車電源產(chǎn)品領(lǐng)域的變遷過程中，“安全”始終是一個(gè)關(guān)鍵詞，而在ADI提供的創(chuàng)新解決方案中，這一點(diǎn)可能反映為L(zhǎng)orry演講中提到的超低噪聲（電磁干擾）、電池主動(dòng)均衡和能量?jī)?yōu)化（安全駕駛更長(zhǎng)距離）、高低壓雙向轉(zhuǎn)換、新的浪涌和高壓保護(hù)機(jī)制等等創(chuàng)新技術(shù)特性。
激光雷達(dá)、普通雷達(dá)、相關(guān)測(cè)量測(cè)控單元是未來(lái)自動(dòng)駕駛非常核心和關(guān)鍵的平臺(tái)。Lorry介紹說(shuō)，因?yàn)槔走_(dá)和激光雷達(dá)的精度和性能、穩(wěn)定性非常重要，所以針對(duì)雷達(dá)、射頻、高頻應(yīng)用，ADI推出了全球噪聲最低的幾款電源：如LT3042、LT3045，噪聲只有0.8微伏，與電池差不多。正是這樣技術(shù)的推動(dòng)和發(fā)展，使ADI能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛領(lǐng)域提供更好的性能和可靠性，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
圖6：77/79GHz汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的理想LDO選擇
而針對(duì)汽車系統(tǒng)中不同電壓共存在情況，LTC3871的設(shè)計(jì)思路就是如Lorry所介紹的，“日益復(fù)雜的車載電子功率增加帶來(lái)的電流增加伴隨的更粗的電纜提供更大的電流能力。48V系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了優(yōu)化電纜和車身布線，但是很多系統(tǒng)裝備，依然在短期內(nèi)沒法向48V系統(tǒng)遷移，因此相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)48V系統(tǒng)和12V系統(tǒng)共存的局面，把一個(gè)48V的電池組和12V的電池組連接起來(lái)，可以雙向供電，并對(duì)48V和12V系統(tǒng)進(jìn)行管理。這樣就可以保證在整個(gè)汽車系統(tǒng)安全運(yùn)行的問題。”
圖7：針對(duì)48V/12V雙電池應(yīng)用的雙向多相同步降壓/升壓控制器方案
為此，Lorry還在現(xiàn)場(chǎng)為各位媒體展示了上圖這樣的一個(gè)系統(tǒng)板，并解釋到：“它的轉(zhuǎn)換功率有2.5千瓦，能夠提供非常好的穩(wěn)定性。這個(gè)在新一代48V系統(tǒng)的汽車?yán)锩媸欠浅?biāo)準(zhǔn)的配置，也可實(shí)現(xiàn)雙向電壓轉(zhuǎn)換。”
而從汽車系統(tǒng)的安全性和可靠性來(lái)講，汽車還會(huì)因?yàn)殡娖亢驮絹?lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)而在啟動(dòng)時(shí)或受到意外干擾時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間高壓情況，而這很可能導(dǎo)致組件的壞損。傳統(tǒng)的解決方案是加TVS管，但它有比較大的體積和相對(duì)高的重量等缺點(diǎn)。那么ADI是怎么解決的呢？
圖8：可替代TVS和保險(xiǎn)絲的浪涌抑制器方案
Lorry解答到：“可考慮采用浪涌抑制器（Surge Stopper）系列產(chǎn)品來(lái)保護(hù)汽車各種功能模塊。通過反饋環(huán)路和MOSFET控制把瞬間脈沖的干擾電源尖峰部分全部消掉，確保輸出電壓在我們?cè)O(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，車身系統(tǒng)系統(tǒng)會(huì)更加安全。再結(jié)合可控的電源工藝，車身系統(tǒng)就不會(huì)因?yàn)橐馔獾母蓴_造成組件損壞。”
直面5G通信的高功率密度高芯片功耗挑戰(zhàn)
眾所周知，從2G、3G、4G到5G，不管是射頻器件還是電源器件，每一次通信系統(tǒng)的迭代里面都有ADI的重度參與。
當(dāng)下的5G通信系統(tǒng)需要非常高的功率密度；因此，芯片的功耗和轉(zhuǎn)換效率面臨較大的調(diào)整。Lorry介紹說(shuō)：“傳統(tǒng)的DC/DC電源，因?yàn)镸OSFET的開關(guān)損耗和電感轉(zhuǎn)換損耗的存在，效率沒有辦法在當(dāng)前構(gòu)架下取得突破性進(jìn)展，ADI在研發(fā)了一種沒有電感的變換器LTC7820，可以將效率提升到99%高。但是因?yàn)榈湫凸ぷ髟硎菍⑤斎腚妷簩?duì)折降壓變換，不能調(diào)整輸出電壓，因此ADI又開發(fā)了一個(gè)混合型的開關(guān)電源LTC7821，綜合了無(wú)電感高效變換器和高性能降壓電路的優(yōu)點(diǎn)，加以其它技術(shù)與原理應(yīng)用，在輸出電壓可以隨意調(diào)整的同時(shí)，依然將效率保持在97%以上。”
圖9：無(wú)電感總線轉(zhuǎn)換器LTC7820可在郵票大小的面積上實(shí)現(xiàn)97%以上的效率
ADI在通信應(yīng)用的電源技術(shù)創(chuàng)新和調(diào)整方面還做了很多其它的改進(jìn)。比如結(jié)合理想二極管的優(yōu)點(diǎn)支持熱插拔，能夠讓通信系統(tǒng)獲得比以前更好的穩(wěn)定性。以及通過帶數(shù)字接口的電源管理系統(tǒng)可以記錄每一路的電源狀態(tài)、電壓、電流、溫度等，甚至可以控制輸出的電壓。尤其當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，可以通過PSM得知電路故障所在。因此，PSM的測(cè)量和輸出的調(diào)整功能在通信領(lǐng)域越來(lái)越受到重用。
圖10：帶數(shù)字接口的電源監(jiān)控系統(tǒng)（PSM）
除了PSM，POE（Power over Ethernet）在通信領(lǐng)域的應(yīng)用也非常的廣。POE可以通過網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)和電源。Lorry分享到：“ADI現(xiàn)在已經(jīng)推出了150瓦的POE的解決方案，此方案最大的好處是可以對(duì)通信的應(yīng)用和布局提供高達(dá)150瓦的功率。面對(duì)大功率的遠(yuǎn)端設(shè)備供電，150瓦可以提供非常完美的解決方案，這也是我們?cè)谕ㄐ欧矫鎻?qiáng)有力的一個(gè)技術(shù)平臺(tái)。”
為高效、清潔、可靠的能源系統(tǒng)做配套
能源是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要話題。無(wú)論對(duì)于智能電網(wǎng)、可再生能源生成和存儲(chǔ)、企業(yè)能源管理、電動(dòng)汽車充電樁基礎(chǔ)設(shè)施等，ADI都能提供很好的配套電源技術(shù)方案。
圖11：ADI擁有完整的太陽(yáng)能供電的電網(wǎng)監(jiān)控單元FCI方案
常見的電網(wǎng)輸配電通常會(huì)有諸如FCI等監(jiān)控設(shè)備，但對(duì)于高壓電塔的供電怎么解決呢？Lorry解釋到：“ADI在這種FCI上有非常完整的解決方案。通常通過互感器或太陽(yáng)能供電，通過高性能MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤及充電管理器件的應(yīng)用，電池可以在同樣光照情況下獲得最大的太陽(yáng)能能量。”
在電力供應(yīng)中，為了保證系統(tǒng)不斷電，ADI還提出用超級(jí)電容做備份電源，并為它提供完備的能量存儲(chǔ)和管理方案。比如LTC3350，它對(duì)四個(gè)法拉電容做監(jiān)控，不僅能夠?qū)﹄娙葑銎胶夂统?放電管理，同時(shí)還補(bǔ)充電容的內(nèi)阻，以及自動(dòng)對(duì)所有電容做能量均衡，功能十分強(qiáng)大。
能量采集技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)終身免維護(hù)
針對(duì)智能穿戴式設(shè)備以及更多物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)的持續(xù)方便供電問題，ADI做了非常多的探索，能不能把振動(dòng)、溫差、光、磁場(chǎng)等變成需要的能源呢？為此ADI也推出了一系列創(chuàng)新產(chǎn)品，如圖12。
圖12：ADI提供齊全的能量采集器件。
此外，ADI在其它IoT方向也實(shí)現(xiàn)很多重大的突破。比如通過光學(xué)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、阻抗、生物電位和信號(hào)調(diào)理技術(shù)造就當(dāng)今世界在無(wú)線、可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)(VSM)的進(jìn)步的醫(yī)療保健技術(shù)。以及通過精確的地理位置檢測(cè)、智能數(shù)據(jù)采集和傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自主決策、更高的資源效率、更簡(jiǎn)便的互聯(lián)農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)連接的智慧農(nóng)場(chǎng)等。
限于篇幅，筆者無(wú)法一次性將Lorry的精彩演講內(nèi)容全部呈現(xiàn)，想最后援引一句Lorry的總結(jié)發(fā)言：“Power By Linear這個(gè)子品牌體現(xiàn)了ADI功率產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展方向，我們考慮的是如何創(chuàng)新，如何提供高性能方案，并能夠提供全球最好的技術(shù)支持以及最好的可靠性和穩(wěn)定性，幫助客戶在更多熱點(diǎn)和新性市場(chǎng)去拓展自己的創(chuàng)新版圖。”
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