电源“老三篇”,ADI要这样玩出新花样

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在半导体技术中,与数字技术随着摩尔定律延续神奇般快速更新迭代不同,模拟技术的进步显得缓慢,其中电源半导体技术尤其波澜不惊,在十年前开关电源就已经达到90+%的效率下,似乎关键指标难以有大的突破,永远离不开的性能“老三篇”——效率、尺寸、EMI/噪声,少有见到一些突破性的新技术面市。

在前不久举办的第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望研讨会上,ADI电源产品中国区市场总监梁再信(Lorry)就高性能电源技术的发展态势与创新趋势发表了演讲,并向业界媒体揭了 “家底”——ADI电源品牌Power By Linear的技术家底,以及在电源领域的不同玩法。

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1+1>2之ADI“Power by Linear”
ADI成功并购Linear让业界惊呼模拟半导体的世界版图被重新解构,两个高性能模拟技术的领头羊的融合到底将带来哪些改变呢?或许Lorry分享的这张图能说明问题,对ADI产业版图带来最大改变的无疑是电源。ADI在定制化电源领域的优势与Linear在电源领域的传统强势,形成非常明显的1+1>2的整合效应。并购Linear后的ADI在全球电源市场中也已稳稳占据了第二的位置,并前所未有的保留了收购对象的品牌(ADI新的电源子品牌——Power by Linear)。毫无疑问电源市场已成为ADI全球产业布局的重要一环,那么在继承Linear电源领域强大技术资源之后的ADI,有哪些强大的新优势呢?

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与Linear的合并带来最大的增强产品线是电源,Power By Linear的新品牌正在实现1+1>2的整合效应。

Lorry表示整合Linear的电源技术后Power by Linear未来将继续在三大方向发力:

  • Form Factor— 在做出高性能电源的同时,减少PCB尺寸以及增加更多的功能
  • Efficiency— 做到更加节能、提高效率,不断突破极致
  • EMI— 提高产品的可靠性、创新性,设计出更完美的噪声处理方案

没错,电源技术不可能逃出这“老三篇”,但关键的三大指标如何实现新突破却是八仙过海各显神通,Lorry在他的演讲中强调了ADI的独家“神通”秘笈。

三招并举,“Form Factor”小型化大跃进

要想做出高集成度的电源产品,实现更小的“Form Factor”,电路板小尺寸、薄型化以及大电流化是关键方向。

那要怎么缩小电路板尺寸?“我们首先就是要做好电源模块,让产品设计工程师专注于做系统级设计,而不用花时间去调一个复杂的电源系统。”Lorry表示。他给出了下图的某个系统IO和内核供电系统的示例,成功节省30到100倍的元器件数量,而且整个系统的可靠性也会得到提升。

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ADI是如何做到30到100倍元器件节省的呢?“这主要源于ADI在过去几十年发展过程中衍生的一系列可匹配现在电路板的应用模块,包括系统级电源(3.3V或者IO电源)、低EMI低噪声电源模块等。”Lorry指出,“比如从四年前的LTM8050(高输入电压2A)是15mm×9mm×4.92mm的封装规格,到现在的LTM8063(高输入电压2A)是6.25mm×4mm×2.22mm,体积很显著的缩小了。”那未来还能不能做得更小呢?Lorry在介绍ADI电源模块尺寸发展史时透露,更小尺寸的将会在下半年或者明年发布。

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第二大关键就是如何做薄。对于这一点,Lorry表示ADI已经发布了1.82mm的产品,其中设计的电源能够与主芯片共用同样的散热器。Lorry还指出,薄型化电源的设计是ADI电源技术向高集成度发展路上极其重要的一环,这也是未来电源模块发展的一大方向。

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解决大电流的问题是电源设计的另外一个关键点,Lorry以FPGA的0.8V内核电压、100A的输出电流为例进行了分享:“2010年时需要12片LTM4601;2012年时需要4片LTM4620;2014年发布的LTM4630只要3片;而到了2016年,两片LTM4650 就能达到目标。”Lorry 指出,“今年7月份,ADI会发布一款新品——LTM4700,一块就能达到上述目标。”八年十二倍的提升,Lorry的分享的这组数据让与会媒体人士印象深刻!

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那么ADI为什么可以做到单片支持100A呢?Lorry从电源模块封装技术上给出了说明。ADI的电源模块共经历了四代技术更新:第一代是将PCB邦定电容、电阻、电感,做一个塑型封装;第二代是在第一代基础上内嵌金属散热衬底,加快散热;第三代则是加入COP技术,改善它的效率,从而也改进了它的性能。

Silent Switcher,EMI进化标杆
电源的噪声和干扰似乎是设计工程师永远的痛,怎样才能减少工程师在系统设计中的噪声和干扰苦恼呢?Lorry指出,EMI一般是由电源干扰引起的,为解决这个问题ADI的Silent Switcher技术特别对噪声和干扰指标进行深度优化。而ADI现在正在推出的Silent Switcher 2能达到93%的效率下满足CISPR25 Class 5 EMI的指标,且远远低于国际指标。Lorry很自信的表示:“ADI的竞争对手还处在一代技术,正在跟进第二代,而ADI内部已经着手研发第三代Silent Switcher技术了。”

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Silent Switcher2到底是怎么实现的?Lorry指出:“技术本身并不难,难点在于如何在工艺工程上让它形成环路且在流动的时候是反向的。”如下图示意:磁场反向形成了闭环回路,这样的磁场对外界的干扰会小很多。“第三代的Slient Switcher在技术上将会解决如何在超小体积、高功率模式下还能控制EMI,并且要让EMI指标远远低于Class5国际标准。” Lorry对Slient Switcher的未来发展充满信心。

“低噪声和纹波对电源来说这很重要。大家知道LDO就是为了降低纹波,而且也能提高效率。但电路板上还有一些给ADC用的基准电源,它的噪声也比较低。但基准和LDO针对的应用场景却不一样,前者追求初始精度和长期稳定性,而后者则是追求怎样去输出大电流。” Lorry补充分析道。Lorry给出的下图对Power By Linear的超低噪声LDO让人印象深刻,LT3045的实测噪声远低于锂电池电源的噪声!

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四个典型噪声示波器采样图

超越99%,追求Efficiency的极限
“效率是全世界电源工程难题,Why?因为电感不可能是理想电感,MOS管也不可能是理想开关,这两者都存在一定的损耗。无论是DCR还是电池转换,都无法逾越传统电源的弊端。” Lorry指出,“正是为了提高效率,所以才有了开关电源的出场。”十多年前的开关电源就已经达到90+%的效率,虽然永远不可能100%,但可以追求效率的极致。

“为了减少外围器件的体积,我们把开关频率提高了。但是频率的提升会导致开关的损耗越来越大,效率也很难提升,怎么办?”Lorry自问自答提出的这个难题,“电感作为储能器件一定有转换的效率问题,所以我们考虑去掉电路中的电感,最近发布的LTC7820就是这样一个没有电感的开关电源。”

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通过ADI创新技术和工艺方法设计出的LTC7820,是一款固定比例高电压高功率开关电容器 / 充电泵控制器,它达到了99%左右的转换效率,即便在2A到20A范围的输出电流中,也能可维持99%的电源转换效率。也可从高达 72V 的输入电压实现一个 2:1 的降压比、从高达 36V 的输入电压实现一个 1:2 的升压比、或从高至 36V 的输入电压实现一个 1:1 的负输出转换比。

“虽然 LTC7820要求的电压转换是呈比例的才能维持99%的转化效率,但第二代产品LTC7821 采用了一种把软开关充电泵拓扑与一个同步降压型转换器相结合的专有架构,以提供比传统开关架构更胜一筹的效率。” Lorry 在介绍LTC7821时特地强调了其独特的构架。

电源创新,期待ADI Power By Linear的力量

人类追求更高效率利用能源的历史大概与人类本身一样长,随着环境意识增强以及物联网应用普及、产品便携、可穿戴的趋势发展下,在电源的小尺寸、低EMI、高效率上的创新会依然层出不穷。作为整合后的强势电源品牌,结合ADI高性能信号链技术,Power By Linear在未来高性能电源领域的表现可以有更高的期待。

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