【導(dǎo)讀】電氣化社會(huì)下電源無(wú)處不在，不同種類的電源技術(shù)在最初的發(fā)電側(cè)到終端芯片都扮演著重要的角色，一款高度集成的電子產(chǎn)品中電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)甚至占到了總設(shè)計(jì)量的50%，導(dǎo)致能耗、效率、輻射和尺寸等等與電源相關(guān)的各種問(wèn)題也成為了各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)中繞不開(kāi)的挑戰(zhàn)。例如美國(guó)一家數(shù)據(jù)中心曾面臨停電危機(jī)，究其原因是ChatGPT等AI大模型訓(xùn)練量的增加導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心無(wú)法負(fù)載日益暴漲的電力需求，正如業(yè)界所講“算力的瓶頸是電力”。
電氣化社會(huì)下電源無(wú)處不在，不同種類的電源技術(shù)在最初的發(fā)電側(cè)到終端芯片都扮演著重要的角色，一款高度集成的電子產(chǎn)品中電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)甚至占到了總設(shè)計(jì)量的50%，導(dǎo)致能耗、效率、輻射和尺寸等等與電源相關(guān)的各種問(wèn)題也成為了各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)中繞不開(kāi)的挑戰(zhàn)。例如美國(guó)一家數(shù)據(jù)中心曾面臨停電危機(jī)，究其原因是ChatGPT等AI大模型訓(xùn)練量的增加導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心無(wú)法負(fù)載日益暴漲的電力需求，正如業(yè)界所講“算力的瓶頸是電力”。
面對(duì)數(shù)智化不斷深入，行業(yè)應(yīng)用日趨廣泛多元、環(huán)境更加極端化，能源相關(guān)的問(wèn)題迫在眉睫，而電源技術(shù)作為破局關(guān)鍵將以什么樣的高要求與高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行突破？對(duì)此，長(zhǎng)期耕耘在產(chǎn)業(yè)一線的ADI亞太區(qū)電源市場(chǎng)經(jīng)理黃慶義先生分享了自己的見(jiàn)解并深度剖析了目前泛在的高性能電源技術(shù)發(fā)展走向。
既要又要還要，Silent Switcher為電源產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)范式
如何設(shè)計(jì)一款好的電源產(chǎn)品？“首先，電源作為IC器件，先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝是前提，優(yōu)秀的電路設(shè)計(jì)水平是保障。其次，從IC到模塊再到最終交付給客戶的系統(tǒng)，封裝技術(shù)與系統(tǒng)集成能力同樣至關(guān)重要。”黃慶義表示道。另一方面，從性能發(fā)展來(lái)看，提升效率、減小面積和降低電磁輻射仍是最主要的三大設(shè)計(jì)維度。在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，這三大維度的平衡極具挑戰(zhàn)性，通常優(yōu)化一個(gè)參數(shù)意味著犧牲一個(gè)或多個(gè)其他性能。但眾所周知，ADI的電源產(chǎn)品一向以小尺寸、高效率和低EMI著稱。
效率、尺寸與噪聲上的極致追求是高性能電源技術(shù)發(fā)展永恒的趨勢(shì)
如今電子設(shè)備已經(jīng)成為了現(xiàn)代人日常生活必不可少的一部分，但同樣也帶了不良影響比如電源產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)健康的潛在危害。此外，電磁輻射還會(huì)對(duì)設(shè)備本身造成損害，影響設(shè)備內(nèi)部元器件工作性能，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。業(yè)界也一直在尋求突破，要在電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上最大程度降低電磁輻射并且保證最大轉(zhuǎn)換效率。對(duì)此，ADI的Silent Switcher技術(shù)通過(guò)在集成單片DC/DC轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)了部分改進(jìn)和巧妙的設(shè)計(jì)理念，消除了在幾大要素間進(jìn)行權(quán)衡的難題。
“電磁輻射/噪聲——相信沒(méi)有什么能比這幾個(gè)字更讓電源設(shè)計(jì)工程師焦慮了，它來(lái)自哪里、怎么消除是整個(gè)行業(yè)‘亙古不變’的討論話題。”黃慶義表示。通常，導(dǎo)致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。當(dāng)電路開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形就會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩，這就是一項(xiàng)產(chǎn)生EMI的因素。單純減少該噪聲也并不難，傳統(tǒng)方式是減慢MOSFET開(kāi)關(guān)邊緣速率，通過(guò)減慢內(nèi)部開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器或從外部添加緩沖器就可以實(shí)現(xiàn)。但這會(huì)導(dǎo)致新的問(wèn)題，由于增加了開(kāi)關(guān)損耗，轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)降低。
因此要想有效減少EMI并改進(jìn)功能，需要盡量減少電流回路的輻射效應(yīng)。黃慶義解析，普通的電源是單個(gè)電流回路，Silent Switcher采用兩個(gè)對(duì)稱分布的輸入熱回路。根據(jù)右手定則，這兩個(gè)回路產(chǎn)生磁場(chǎng)方向相反，能量相互抵消，從而電氣回路對(duì)外沒(méi)有凈磁場(chǎng)。因此，Silent Switcher器件無(wú)需減慢開(kāi)關(guān)邊緣速率，這解決了EMI和效率之間的權(quán)衡問(wèn)題。同時(shí)，其架構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷的迭代、優(yōu)化、升級(jí)，產(chǎn)品內(nèi)置了高頻回路電容，進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)等效感抗以降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴，縮短MOS死區(qū)時(shí)間，推動(dòng)電源轉(zhuǎn)換效率，使無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流低至2.5μA，同時(shí)電源的輸出紋波也低至10mV以內(nèi)。
Silent Switcher 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的噪聲
值得一提的是，Silent Switcher架構(gòu)使用專有設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，能夠最大限度在高頻率下實(shí)現(xiàn)更高效率，提供更低的EMI性能，并通過(guò)使用非常緊湊可靠的設(shè)計(jì)來(lái)通過(guò)EMC的測(cè)試。由于其支持高電壓輸入、大電流輸出以及非常小的最小導(dǎo)通時(shí)間，所以在工業(yè)、醫(yī)療健康、通信、汽車、能源、數(shù)據(jù)中心等等領(lǐng)域都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。
“工業(yè)控制領(lǐng)域的客戶非常歡迎Silent Switcher技術(shù)，因?yàn)檫^(guò)去僅是解決EMI的認(rèn)證問(wèn)題都要半年的時(shí)間。而Silent Switcher技術(shù)的出現(xiàn)，能夠幫客戶節(jié)省該部分成本。”黃慶義分享道，“Silent Switcher同樣獲取了汽車Tier 1和車廠的認(rèn)可，因?yàn)槠囶I(lǐng)域電源設(shè)計(jì)一個(gè)重要方向就是極大降低EMI，讓車身系統(tǒng)更穩(wěn)定。”兼顧高效率與EMI特性的Silent Switcher技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世以來(lái)電源領(lǐng)域的先進(jìn)成果之一，這項(xiàng)降噪技術(shù)在許多噪聲敏感應(yīng)用中改善了EMI性能，提高了系統(tǒng)效率，減小了輸出紋波，還進(jìn)一步有助于縮小解決方案總體尺寸。
多維度適配力Max，μμModule系列成就電源界的“瑞士軍刀”
在一些特定的領(lǐng)域需要定制電源，例如沙漠中承受炙烤的5G無(wú)線電收發(fā)機(jī)，要保證其正常運(yùn)行，意味著組件要夠小夠輕，電子系統(tǒng)的效率夠高，產(chǎn)生的熱量就越少，系統(tǒng)才容易保持冷卻和正常運(yùn)行。例如數(shù)據(jù)中心里正在執(zhí)行上百萬(wàn)次搜索的服務(wù)器群必須具有非常高的功率密度，才能大限度地提高效率，快速傳輸內(nèi)容。要為這種場(chǎng)景從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)定制電源會(huì)有長(zhǎng)周期影響產(chǎn)品上市，使設(shè)備造價(jià)更高，如果有一種模塊化可配置電源將是極好的選擇，讓設(shè)計(jì)師可以專注于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。
ADI電源的另一大特色μModule (微型模塊)產(chǎn)品即是這樣的選擇，作為完整的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)解決方案，可最大限度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并幫助客戶縮減電源電路板尺寸和電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)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(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)移到了器件身上，從而縮短了總體設(shè)計(jì)時(shí)間和系統(tǒng)故障排除過(guò)程，最終加速了產(chǎn)品上市速度。并且μModule在過(guò)去多年的發(fā)展過(guò)程中衍生了一系列可以匹配目前幾乎所有應(yīng)用的模塊。”黃慶義指出。
例如當(dāng)前數(shù)據(jù)中心需要大幅增加電力供應(yīng)，對(duì)相配套的電源設(shè)計(jì)方案提出了諸多挑戰(zhàn)。尤其是數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器系統(tǒng)的外形尺寸已經(jīng)固定，要提高ASIC的吞吐量性能則需大幅提高功率密度，而在尺寸限制不變的情況下，開(kāi)發(fā)人員如何幫助提高吞吐能力？以更高的效率和更小的尺寸提供更多功率的μModule系列是極佳選擇：隨著功率密度的要求越來(lái)越高，為了保證輸出大電流，此前需要很多個(gè)模塊并聯(lián)起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在通過(guò)單個(gè)模塊就能實(shí)現(xiàn)。比如μModule新系列產(chǎn)品LTM4681能在22mm x 15mm的面積內(nèi)輸出單路125A或四路31.25A的電流，可滿足ASIC、GPU和FPGA等IC的需求，能夠輕松為低電壓和高電流的先進(jìn)數(shù)字設(shè)備供電。
高功率密度的電源模塊
另一方面，在外形尺寸的約束下越來(lái)越多的功能被納入PCB，電路板上為其供電所需的總功率水平也在增加，所以散熱也很重要。但由于散熱空間存在限制，氣流量有限，設(shè)備的性能和長(zhǎng)期可靠性受到挑戰(zhàn)。“在許多情況下，由于空間限制，我們的客戶只能將電源放在PCB的背面，我們開(kāi)發(fā)超薄的電源模塊，常規(guī)尺寸1.8mm，最薄可到1.18mm，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(wèn)題。”黃慶義解釋道。
電源優(yōu)化迭代探索不止，“更小更安靜更高效”持續(xù)升級(jí)
在汽車、工業(yè)、通信、能源等領(lǐng)域飛速發(fā)展的今天，市場(chǎng)對(duì)高性能電源技術(shù)的渴求愈演愈烈，業(yè)界不乏深耕電源領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)。 ADI作為該行業(yè)領(lǐng)先者，能夠始終憑借自身的高性能電源技術(shù)和解決方案引領(lǐng)市場(chǎng)，是源于背后數(shù)十年在半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)沉淀以及精益求精地不斷創(chuàng)新精神。
縱觀Silent Switcher技術(shù)的發(fā)展，最初的Silent Switcher已經(jīng)滿足低電磁輻射、高效率、高開(kāi)關(guān)頻率三種需求，無(wú)需權(quán)衡取舍。但因其需要對(duì)非常高要求的布局才能發(fā)揮磁場(chǎng)相互抵消的優(yōu)勢(shì)，于是為了確保在設(shè)計(jì)及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的正確布局，Silent Switcher 2誕生，其將電容集成在新LQFN封裝內(nèi)，盡可能靠近芯片放置，將熱回路做到最小，從而降低了EMI，也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了PCB板的布局要求，使得PCB布板更加方便靈活。
Silent Switcher技術(shù)的演進(jìn)路線圖
據(jù)黃慶義介紹，如今的Silent Switcher 3在過(guò)去的基礎(chǔ)上又新增了超低噪聲設(shè)計(jì)，包含高增益誤差放大器，提供超低EMI輻射和快速瞬態(tài)響應(yīng)，使得它輸出的噪聲非常接近LDO的水平，同時(shí)其封裝也進(jìn)行了很多的優(yōu)化，使得該系列新品LT8627SP在2 MHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下也能輕松運(yùn)行，有助于改善紋波、尺寸、噪聲和帶寬。值得一提的是，ADI仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)Silent Switcher技術(shù)，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲水平，不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
大電流電源模塊的演進(jìn)
另一方面，μModule系列同樣如此，在大電流的實(shí)現(xiàn)上不斷進(jìn)階，從2010年時(shí)ADI需要12片LTM4601才可以做到144A，到LTM4700問(wèn)世只需1片就能做到100A，在LTM4681推出之后，甚至在22mm×15mm的面積之內(nèi)，就能輸出單路125A或四路31.25A的電流。同時(shí)，厚度還在不斷變薄，從LTM4631的1.91mm，到LTM4632的1.82mm, 再到LTM4663的1.3mm，最后甚至到LTM4691的1.18mm, 模塊的厚度幾乎達(dá)到和分立器件的厚度相當(dāng)?shù)乃健｜S慶義舉例道：“以光模塊為例， 超薄外形的μModule可以安裝在電路板的背面，這大大節(jié)省了寶貴的PCB面積，簡(jiǎn)化了電源的設(shè)計(jì)。”
超薄電源模塊的演進(jìn)
“ADI在電源領(lǐng)域的探索不會(huì)停止。此前對(duì)美信的并購(gòu)，也進(jìn)一步擴(kuò)充了ADI電源產(chǎn)品組合。”黃慶義最后表示，“確保客戶的電子系統(tǒng)以最佳效率、最佳性能運(yùn)行是ADI的承諾，我們會(huì)繼續(xù)提供創(chuàng)新、高性能的電源方案，為行業(yè)發(fā)展提供最好的技術(shù)支持。”
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