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电源设计工程师最头大的三个领域,他们却最擅长

时间:2018-11-06 作者:刘于苇 阅读:
2017年3月,模拟领域发生了一件大事——ADI与Linear在一起了。这家新的模拟巨头诞生,同时也造就了一条全球第二的模拟产品线,合并时,ADI有2万个器件,LTC有2.3万个器件,合并后总共有4.3万个器件,其中电源超过1万个器件,都是专注工业、汽车和通信这些高端市场的……

 

2017年3月,模拟领域发生了一件大事——亚诺德半导体(Analog Device, ADI)与凌力尔特(Linear)在一起了。这家新的模拟巨头诞生,同时也造就了一条全球第二的模拟产品线,电源产品在Linear的强大加持下发生了1+1>2的效果。
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合并时,ADI有2万个器件,LTC有2.3万个器件,合并后总共有4.3万个器件,其中电源超过1万个器件,绝大部分由Linear延续过来,所以新的电源子品牌叫Power by Linear。那么这一万多种器件,如何呈现在工程师面前呢?

日前,ADI在深圳召开了电源产品Work Shop,ADI电源系统工程总监梁再信(Lorry Liang)从“减小芯片尺寸和体积”、“效率”、“EMI”三个产品设计的思考角度,给媒体们做了一场深入浅出的演讲。其中重点介绍了工业、通信和汽车电子三个ADI电源产品最为关注的应用领域。
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ADI电源系统工程总监梁再信(Lorry Liang)

有人问ADI为何一直看好工业、汽车这些领域,而不是追求市场大热的消费电子时,梁再信表示,“做创新、做高品质的公司不惧怕任何挑战和压力,因为做汽车、通信、工业,要承诺客户是数十年的稳定性,和做消费类产品不一样。做汽车和工业市场,研发、生产、制造、品质、物流体系都要精益求精才能满足市场的要求,同时生产制造体系必须要支持客户长期的供货和稳定性。”


工业4.0下的中国市场非常重要

制造能力的提升决定一个国家的发展速度。工业4.0里有非常多的考虑因素,不仅仅系统要足够灵活、有效率、互联互通,安全性、可靠性都非常重要。所有的工业应用场合一定离不开电源,如果电源基础都不稳定,这个系统是很难稳定工作的。
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梁再信表示,中国目前对半导体产业支持力度非常大,从对半导体设备的投入增长来看也是全球第一的。在所有的半导体生产、测试、封装的过程中的设备都需要用到电源,ADI的Power Module可以很好地支持半导体设备制造商,协助他们完成非常紧凑空间挑战的设计。

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在传统工业电源产品的隔离中,一般有磁隔离、电容隔离和光隔离。光隔离用得最多,但光隔离有一个先天的劣势——光衰,磁耦则会受到外面的磁干扰。这些年Power by Linear追求极度简化,采用能监测电路变化推算输入电压,应负载而变频的“智能”隔离。梁再信表示,“因为光耦的光衰,没有长期的稳定性,让我们在市场上不断地攻城略地,得到大家的认可,拿到的份额越来越高。”

至于EMI和干扰问题,由Silent Switcher解决。普通的电源是单个电流回路,Silent Switcher是两个反向电流环,芯片自己的EMI水平就可以做得非常低,甚至不用特别优化就可以满足标准。

“过去要解决EMI问题,大部分供应商会告诉你,用四层板、六层板加屏蔽隔离等等,但ADI的Silent Switcher用两层板做一个标准设计就可以满足EMI标准,而且还有一些余量。” 梁再信说到。

电气化和自动化给汽车电子带来的机会

这几年自动驾驶是非常火了,而对汽车来说安全非常重要。ADI的Power by Linear产品在汽车领域有非常多的应用方向,比如激光雷达(Lidar)、雷达(Radar)、IMU、ECU、48伏系统、LED等热门领域。
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“比如我们2016年发布的业界最低噪声的LT3045,”梁再信介绍道,“噪声比传统锂电池的噪声还少。测试数据显示锂电池有2.7μV的噪声,而LT3045在同样电流下只有0.8μV,1M以下PSRR值都在78个dB以上。”

科普一下,电源产品的噪声越低,PSRR值越高,给Lidar、Radar供电时提升的性能越显著,让整车和乘客更安全。

随着车身中采用的电子元器件越来越多,EMI也是必须要面对的问题,否则你的自动驾驶车开着开着黑屏就恐怖了。梁再信表示,“我们把Silent Switcher展现在汽车Tier 1和车厂面前的时候,大家都很认可,因为这可能是未来汽车电源上不得不考虑的方向——不仅降低对外的辐射干扰,同时别人对我的干扰也尽可能降到最低,让车身系统更稳定。”

ADI还在推PoDL, 即Power Over Data Line。在未来汽车里面通过数据线供电,可以节省非常多的电缆施工和重量,提高可靠性,降低施工的难度,节省整车成本。
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ADI电源在汽车方面的创新,梁再信还举了个例子,就是奥迪A8的LED矩阵汽车大灯。这款大灯由多个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。小编双手支持奥迪这种LED矩阵大灯成为未来汽车标配,那样就不会再有令人讨厌的“远光狗”了(笑)。
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梁再信还分享了一种比较特殊的汽车电源应用。传统燃油车和纯电动汽车之间,存在中间形态的混合动力汽车,大部分混动汽车都会同时有48伏和12伏系统。48伏系统需要的瞬间功率高达十几千瓦,对业界而言,安全性和可靠性是很大的挑战。如何解决大功率48伏系统和12伏系统之间的平衡和转换?

ADI针对48V/12V系统的专门应用方案是:双向两相同步降压或升压型控制器LTC3871,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。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。ADI有一系列产品可以支持这样48V/12V的转换。

通信电源芯片越小越强大

很多人都觉得5G对普通老百姓的意义可能就是上网速度快一些。但对华为、思科、爱立信、中兴等而言,5G面临最大的挑战是:设备越来越小,带宽越来越宽,功率越来越高。怎么解决这些问题?

无线通信方面,现在模块要求要变小、集成,供电和散热的问题就很重要。如果说一个通信板卡需要非常高的功率密度,以FPGA的0.8V内核电压、100A输出电流为例,2010年需要12片LTM4601才可以做到100安培;2012年的LTM4620,4片就可以达到100安培;LTM4630的时候需要3片;LTM4650的时候2片就可以。
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“最近,我们发布了LTM4700,拇指大小,大概跟铅笔的厚度一样,1片就能做到100安培,它帮助通信设备商极大解决了散热、尺寸、体积和运营效率的问题。”梁再信表示。

这么薄的模块,单片支持100安培是怎么做到的?据说是因为ADI 是唯一一家用多层基板做模块的公司,这能带来高密度布线、很好的散热,能把很多元器件封装到非常小巧的体积下。

而有线通信电源与无线的不同,在于需要热插拔、高转换效率,也需要一些电源管理应用。另一个挑战是传统电源电路过大,效率大概93%再难往上做。通信背板48V往下转时,往往需要更低电压而转换效率不高,如果把48伏先转为24伏再做二级转换对系统很有帮助。如何提高效率?
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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。梁再信表示,这个器件的出现,是业界的一个创新。

光通信方面最大的挑战,是光模块的体积。如下图,不同年代,光相关器件的体积、尺寸是不同的。怎么在更小的体积里放下必不可少的电源? ADI已在研发4mm×4mm的小面积产品,也在应客户要求研发1.5mm甚至更薄的器件。
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梁再信表示,电源器件做薄是有难度的,因为它集成了MOS管、电感等,是个完善的模块,但ADI会迎接这个挑战。


中国的智能电网

中国的国家电网是值得大家骄傲的,水平在全世界首屈一指,特高压输电等系统我们都做得最好。几年前湖北冰灾,电网受损,很多城市都断电,那是当时我们没有很好的电力线监控监测系统。后面几年有很多的课题研究如何把中国国家电网传输线的安全和监控数据实时汇集上来,所以才有了一堆各种各样的电力监控系统,FCI是其中一种。
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所谓FCI,就是在每根高压线上挂一个监测设备,用太阳能电池板来取电,实现无人值守和维护的高效运营。“这里面有很多ADI的东西,从信号链、IC到其他器件都有。”梁再信表示。

 

能量采集

能量采集上,ADI也在考虑一些新的创新,比如温差、振动,虽然看起来是很微弱的能量,但能不能为我们所用也是值得考虑的问题。

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举个例子,电源转换芯片LTC3588,配合小体积换能器,可以在0.25G的振动加速度和40赫兹的频率上产生200多微安的电流。这电流看起来很小,如果乘3.3伏,大概功率也就是600微瓦,好像不能用来做什么。但如果用这个换能器和转换电路可以稳定地给监控电路提供3.3伏、大概0.2毫安的电流,可以实现设备的终身免维护和无人值守。

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再一个是温差发电。ADI有一个测试数据,一个3厘米×3厘米TEG连上LTC3108,可以产生3.3伏电压,在10度温差时大概有60微安的电流,200微瓦的功率,30度温差差不多有400微安的电流。“设想一个可穿戴设备,环境温度25度身体温度35度,10度温差产生的200微瓦可以使电子器件持续工作下去,就不用充电了。”梁再信表示。

ADI还在考虑如何改进温差发电转化技术,已有的能量采集IC能实现把20毫伏的微弱电压升到3.3伏,这是很大的挑战。目前ADI美国电源团队在思考如何把换能器功率提高,从200微瓦提高到400微瓦,体积只有目前的1/10。

设计工具

ADI在中国的营收在全球中占比逐年上升,为了配合国内工程师使用Power by Linear产品,提供了很多免费的工具。LTPowerCAD,可以做整个电路的规划以及做运算;生成的数据可以导入LTspice仿真工具做进一步的仿真;通信设备上需要电源管理做PSM,做系统的板级电源管理,有开发工具LTpowerPlay;传统ADI的电源产品也有一个仿真工具叫ADIsimPE。这4个软件都可以在ADI官网免费下载使用。

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