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从ADI电源产品技术创新看行业要求和设计痛点

作者:不详 ; 发布时间:2018-11-5 7:59:07 ; 来源:互联网  点击:

ADILinear公司在去年3月正式完成合并后,市场集中度很高,80%的市场集中在工业、通信和汽车领域。这次合并,使得ADI的器件由2万个增加到4.3万个,其中电源超过1万个,有18个大的产品系列,大部分是Linear的产品,基于Linear在电源领域的深厚积累和优势,ADI电源产品线的子品牌就叫Power by Linear。由此,ADI的电源产品占有率跃居至全球第二。

日前,电子发烧友应邀参加了ADI公司的一场Workshop,资深电源技术专家ADI公司电源系统工程总监梁再信先生分享了该公司最新的产品和技术。从这些产品和技术中,我们可以看到行业应用对电源产品的要求以及设计痛点。
 

资深电源技术专家ADI公司电源系统工程总监梁再信


图:资深电源技术专家ADI公司电源系统工程总监梁再信

梁再信表示,自动驾驶、汽车电子、工业4.0、下一代通信和沉浸式消费体验这些领域都是ADI重点关注的市场。虽然Power by Linear的器件超过1万种,但其产品设计的思路始终围绕三个重点:一是怎样减少芯片的尺寸和体积的同时提供很好的性能?二是如何提高效率?三是关系到系统的稳定性和可靠性的EMI优化。

工业应用

在工业领域,中国今明两年在半导体相关的设备投入增长幅度非常大,从全球来看,规模增长最大的是中国,韩国有点微跌,台湾持平,美国也是持平。

全球区域半导体设备支出情况统计

图:全球区域半导体设备支出情况统计

除了信号链产品,ADI正在把中国的半导体生产、测试、封装设备作为电源产品的重要增长支点。“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。” 梁再信说,“我们的Power Module经过十年发展,已经有非常完整的产品序列,对半导体设备制造商都可以有很好的技术和产品支持,协助他们完成非常挑战的设计,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在半导体设备中的电源产品线

图:ADI在半导体设备中的电源产品线

Silent Switcher是ADI具有代表性的解决工业应用中EMI和干扰痛点的器件架构技术。其创新突破是,普通的电源是单个电流回路,Silent Switcher则是两个反向电流环,大大降低了EMI水平,不用特别优化就可以满足标准。以LT8609S为例,多数EMI问题需要用四层板、六层板加屏蔽、隔离等方法才能实现,LT8609S用两层板做一个标准设计就可以满足工业级EMI标准,而且还有一些余量。

ADI的Silent Switcher架构技术

图:ADI的Silent Switcher架构技术

汽车电子

ADI在安全气囊领域有超过25年的历史,也是自动化和自动驾驶领域的重要器件供应商。激光雷达、微波雷达、车身测量系统、惯导和陀螺仪等都是Power by Linear产品的应用方向。

在自动驾驶应用中,降噪是一个关键。ADI在2016年推出的业界最低噪声的LT3045,其噪声低至0.8μV,比传统锂电池2.7μV的噪声还少,而1M以下PSRR值达到78个dB以上,给Lidar、Radar供电的时候可以显著提升性能,由于降低了雷达系统的噪声,整车和乘客的安全性得到了提升。

另外一个关键点在于降低EMI干扰。前面提到的Silent Switcher技术,由于极大降低了EMI干扰,使得车身系统更稳定,这对于高度集成电子器件的车身而言十分有益。此外,针对汽车以太网的PoDL, 即Power Over Data Line技术,使得数据线同时具备供电能力,因此节省了大量的电缆施工和重量,提高了可靠性,同时也降低了施工的难度,并且节省了整车成本。

在自动驾驶应用中,汽车照明安全技术始终是一个重要课题。奥迪A8的LED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。这个技术就是Power by Linear提供的。

奥迪A8所采用的ADI汽车照明安全技术

图:奥迪A8所采用的ADI汽车照明安全技术

续航里程一直是电动汽车的痛点,电池管理系统BMS是其中优化的关键,ADI的相关产品(LTC680X系列)一度占据中国80%以上的市场份额。

在混合动力汽车领域,如何解决大功率48伏系统和12伏系统之间的平衡和转换是一个重要课题。因为48伏系统的瞬间功率会高达十几千瓦,对安全性和可靠性是很大的挑战。LTC3871就是ADI一款针对这一痛点的应用方案。该器件具有双向两相同步降压或升压特性,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;在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。

LTC3871解决48伏系统痛点

图:LTC3871解决48伏系统痛点

在传统燃油汽车系统中,发电转换损耗是一个问题。把发电变成直流电给蓄电池供电通常会用到传统二极管当整流桥,由于传统二极管存在压差,电流越大压差也越大,约达到0.4伏到0.7伏,功率损耗很大。针对这个痛点,ADI研发了理想二极管桥堆,用MOS管代替二极管。由于MOS管的阻抗比较低,可以提高效率,降低功率损耗,桥堆不需要散热器,可靠性也提高了。

在汽车电子系统中,启动瞬间高压对安全性和可靠性来讲也一直是非常大的挑战,因为汽车的电瓶和整个系统越来越复杂,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,有可能瞬间达到70伏,可能把组件打坏。过去最常见的解决方法是加PVS管,但是3000瓦、6000瓦的PVS管体积比较大,比较难固定,稳定性和可靠性欠佳。ADI的Surge Stopper技术,把瞬间脉冲的干扰电源尖的部分全部消除,将其控制在设定的标准范围之内,这样车身系统就能避免因为意外的干扰损坏汽车上的组件,进而提高安全性。

通信应用

对于华为、思科、爱立信、中兴这些通信系统设备供应商而言,5G带来的挑战非常大。小型化、高带宽、高功率,这些对基站设备在能源密度、效能和可靠性方面都提出了迫切的要求。

对于无线基站模块而言,小型化和高集成度对于供电、散热、效率和可靠性性能要求很高。所以在POE方案设计中,不仅要实现通过网线给电源供电,同时要考虑如何提升功率密度。以FPGA的0.8V内核电压、100A的输出电流为例,ADI电源模块在2010年需要12片LTM4601才能做到100A,经过3次迭代,到最新的LTM4700只要1片就能做到100A!

基于封装工艺的迭代,LTM4700内置了散热器,将电感从模块中移至模块上帮助散热,电感可以非常有效的把热从空气中带走,其散热性能胜过离散的方案。

LTM4700只有拇指大小,厚度约和铅笔一样

图:LTM4700只有拇指大小,厚度约和铅笔一样

与无线不同,有线设备需要热插拔、高转换效率以及电源管理PSM的应用。此外,由于局端设备的温度非常高,效率优化十分重要。传统的电源,效率到93%、94%,就很难再提升了。在通信背板上,48V往下转时,往往转换效率不高,这个痛点如何解决?

ADI的方法是优化电感损耗的问题。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。这个器件体现了一个创新思路:即通过非常高效的电路,把48伏转成24伏,剩下的板级系统再往下转,既简化了设计,又解决了传统电路的瓶颈。

LTC7820用CFLY取代电感提高转换效率

图:LTC7820用CFLY取代电感提高转换效率

光通信市场在中国的快速增长推动着光模块的发展。体积是光模块设计最大的挑战。如ADI的LTM4622和LTM4624是6.25mm×6.25mm×1.8mm的电源模块,已经得到广泛应用。

梁再信表示,总的来看,通信电源模块对产品设计的要求主要是三个方向:一是大功率,如100A的输出电流,ADI已在研发下一代;二是小体积,ADI已在研发4mm×4mm的产品;三是做薄,比如1.8mm、1.5mm甚至更薄,在这么薄的空间里还要集成MOS管、电感等器件,这是很大的挑战。用多层基板做模块是ADI独有的方法,这个方法解决了小体积器件高密度布线、散热、多元器件封装的难题。

 
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