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从ADI电源产品技术创新看行业要求和设计痛点

来源:电子发烧友网 作者:陆楠 2018年11月04日 14:46 次阅读

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。

2018iot

 

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发表于 2018-10-12 17:37 118次阅读
ADI运算放大器能整合超出的输入保护,具有70d...

电源评测主要看哪些 浅谈电源选型的技巧

说道二次侧,其实二次侧就是电源的低压滤波输出,这也是电源最后输出保证得电路,通过电源内部的转换将电流...

发表于 2018-10-10 09:37 258次阅读
电源评测主要看哪些 浅谈电源选型的技巧

浅谈电脑电源保护机制种类

绿色部分表示整个电源的额定功率,额定功率是一个重要参数,但我们判断一款电源的好坏不但要看额定功率更要...

发表于 2018-10-10 09:32 299次阅读
浅谈电脑电源保护机制种类

什么是80 PLUS认证? 电源80 plus认...

我们在选购电源时大多会掂量掂量电源的重量或者透过散热孔看看电源的内部做工,再者就是看看电源的额定功率...

发表于 2018-10-10 08:44 162次阅读
什么是80 PLUS认证? 电源80 plus认...