【導讀】類追求更高效率利用能源的歷史大概與人類本身的歷史一樣長。在數智化和電氣化程度日漸提高的當下，面對極端環(huán)境與苛刻要求以及日趨廣泛多元的行業(yè)應用，電源技術與產品又經歷了怎樣的更新與迭代？在前不久的第11屆EEVIA年度中國硬科技媒體論壇暨產業(yè)鏈研創(chuàng)趨勢展望研討會上，ADI公司亞太區(qū)電源市場經理黃慶義先生深入介紹了泛在的高性能電源技術和解決方案正在如何演進。
從一次電源到二次電源、三次電源，從接口防護到電源的持續(xù)監(jiān)控與控制，不同種類的電源技術在發(fā)電側到芯片端都扮演著重要的角色。要想設計一款優(yōu)秀的電源產品，需要從多個方面進行突破的，對此，黃慶義先生表示：“首先電源是作為IC，先進的半導體工藝是前提，優(yōu)秀的電路設計水平是保障。其次，從IC到模塊再到客戶最終到手的系統(tǒng)，這個過程中的封裝技術與系統(tǒng)集成能力同樣至關重要。”
多年以來，在電源領域ADI作為行業(yè)領導者始終憑借自身的高性能電源技術和解決方案獨步市場，以先進的設計和封裝技術等確保著電子系統(tǒng)以最佳效率、速度和功率水平運行。基于此，也使得ADI衍生出了很多在業(yè)界領先且有特點的電源發(fā)展方向和技術，例如Silent Switcher、模塊化、LDO等等。
黃慶義先生表示：“目前，電源技術發(fā)展的大方向始終沒有脫離三個方面，效率、面積和電磁輻射。在傳統(tǒng)的電子產品設計過程中，這三大維度的平衡極具挑戰(zhàn)性，通常優(yōu)化一個參數意味著犧牲一個或多個其他性能。”
效率：即日常提到的能效。人們不斷地致力于提高電源效率，從原來的線性電源發(fā)展至開關電源，從十多年前就達到90+%效率到如今不斷逼近99%，近乎苛刻的效率提升不難證明其重要性；
面積：小型化是電子設備發(fā)展的大趨勢，都希望最大限度地降低它的面積，比如減小器件的面積，減小設備的大小，以此在有限的空間里面放更多的電源，更大地提高電源功率密度；
電磁輻射（EMI）：一般由電源干擾引起，其會帶來很多意想不到的問題，比如影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性，比如對其它器件的干擾以及其它器件對自身的干擾等。而不斷提高的電源性能要求，諸如功率密度增加、開關頻率更高以及電流更大，只會擴大EMI的影響。
解決噪聲與振蕩
不斷演進的Silent Switcher技術
業(yè)界一直在尋求一種辦法，通過在集成單片DC/DC轉換器中實現(xiàn)了一些通用的改進和巧妙的設計理念，使電源設計人員能夠再不犧牲效率、EMI特性或瞬態(tài)性能的情況下實現(xiàn)最佳的設計時間和設計空間。ADI的Silent Switcher技術就是這樣的轉換器改進和巧妙設計理念的應用。
“導致電磁噪聲和開關振鈴的是開關穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。當開關頻率過高時，不管是在時域或頻域上，開關節(jié)點波形都會出現(xiàn)明顯的振蕩，這就是一項產生EMI的因素。簡單的降低開關頻率可以減少振鈴，但也會對效率產生負面影響。要想有效減少EMI并改進功能，需要盡量減少紅色回路的輻射效應。”黃慶義展示了兩張簡單的電路示意圖解析Silent Switcher的出色能力。“Silent Switcher技術可以比較好地解決這個問題，其架構經過不斷的迭代、優(yōu)化、升級，新產品內置了高頻回路電容，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)等效感抗以降低PMW振鈴，縮短MOS死區(qū)時間和提升PMW擺率，推動轉換效率提升至95%，無負載靜態(tài)電流低至2.5uA，同時電源的輸出紋波也低至10mV以內。”
毋庸置疑，Silent Switcher技術是開關模式電源問世以來電源領域的先進成果之一。這項降噪技術在許多噪聲敏感應用中改善了EMI性能，提高了系統(tǒng)效率、輸出紋波性能，縮小了解決方案總體尺寸。ADI仍在繼續(xù)開發(fā)Silent Switcher技術，以進一步降低系統(tǒng)噪聲水平，不斷擴大應用范圍，造福更多領域。目前已經發(fā)展到Silent Switcher第三代。
在現(xiàn)場，黃慶義先生詳細描述了Silent Switcher的迭代過程：“最初，Silent Switcher技術對布局的要求非常高，因為其要求盡可能將這些輸入電容對稱布置，以便發(fā)揮場相互抵消的優(yōu)勢。為了確保在設計及整個生產過程中的正確布局，Silent Switcher 2應運而生。再到如今的Silent Switcher 3，在過去的基礎上又新增了低噪聲功能，使得它輸出的噪聲非常接近LDO的水平，同時其封裝也進行了很多的優(yōu)化，超低的低頻噪聲、超快的瞬態(tài)響應，使得Silent Switcher 3能夠很好地解決效率、面積、電磁輻射帶來的問題。”
超薄超低噪聲、小尺寸大電流...
“五花八門”的ADI μModule
μModule (微型模塊) 產品同樣是ADI電源產品的一大特色，據黃慶義先生介紹μModule是完整的系統(tǒng)級封裝 (SiP) 解決方案，可最大限度縮短設計時間，并幫助客戶縮減電源電路板尺寸和電路設計復雜度，同時還提高了系統(tǒng)的可靠性。該系列是將組件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔從設計師轉移到了器件身上，從而縮短了總體設計時間和系統(tǒng)故障排除過程，最終加速了產品上市速度。
“自從十幾年前高集成度的電源模塊產品問世，客戶就不再需要關注電源的噪聲、紋波，只需像LDO一樣使用即可。”黃慶義如此介紹道。目前，ADI有很多種類型的模塊可以供大家選擇，比如超低噪聲的、超薄的、帶監(jiān)控的，大電流的，多路輸出并聯(lián)等等。
以大電流電源模塊為例，隨著功率密度的要求越來越高，為了輸出大電流，此前需要很多個模塊并聯(lián)起來才能實現(xiàn)。比如2010年，ADI需要12片LTM4601才可以做到100A。為此，在ADI的不斷探索下，2018年LTM4700問世，只需1片就能做到100A。接著2021年，LTM4681的發(fā)布就做到了在22mm×15mm的面積之內，輸出單路125A或四路31.25A的電流。
另一方面，要想做出高集成度的電源產品，在保證大電流的同時，電路板小尺寸、薄型化同樣是關鍵。黃慶義舉例LTM4631和LTM4622：“在許多情況下，由于空間限制，我們的客戶只能利用帶分立器件的PCB的下表面。事實上，很多系統(tǒng)PCB下表面只有2.2mm的高度可用于安裝器件。因此，我們開發(fā)超薄的電源模塊，常規(guī)的1.8mm，最薄可到1.3mm，以便它們既能很容易地放入其中，又能幫助解決空間和密度問題。”
針對電源技術的發(fā)展，黃慶義先生也作出了展望：“電源歸根到底還是為其他IC和設備服務的。隨著技術發(fā)展的深入，更集成，更大電流，更小更薄的電源技術將更多地與其他信號鏈產品組成一個整體的解決方案。因為對終端客戶而言，整個系統(tǒng)的指標更為重要，一個能夠通過驗證的整體解決方案，勢必可以大大地縮短產品上市時間，降低開發(fā)風險。”
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