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一流模拟技术公司如何解决EMI、小尺寸等棘手问题?

时间:2018-11-16 作者:夏菲 阅读:
2017年3月,LTC和ADI正式合并,合并后总共有4.3万个器件,其中电源超过1万个器件,ADI的电源产品得到了Linear极大的补充和加强,产生了1+1>2的效果,使ADI的电源跃居全球第二。

在我们身边的很多应用中,电源的身影无处不在,如热门的5G、无人驾驶、汽车、消费电子、智能制造等领域。为了让大家更深入地了解电源,日前ADI在深圳召开了一场Power by Linear的电源产品与技术媒体见面会,ADI电源系统工程总监梁再信(Lorry Liang)分享了ADI电源产品在工业4.0、自动驾驶、通信、能源四个领域的技术突破。

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ADI电源系统工程总监梁再信Lorry Liang

围绕三个方向思考设计产品

2017年3月,LTC和ADI正式合并,合并后总共有4.3万个器件,其中电源超过1万个器件,在超过1万个的电源器件中,绝大部分是LTC延续过来的,原来ADI的电源占比10%左右,因此新的子品牌叫Power by Linear。

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而ADI的电源产品得到了Linear极大的补充和加强,产生了1+1>2的效果,使ADI的电源跃居全球第二。

那Power by Linear超过1万种的器件,如何才能呈现在客户、工程师面前呢?

梁再信表示Power by Linear基本围绕三个方向思考设计产品:

一、减少芯片的尺寸和体积;现在产品的空间越来越紧、密度越来越高,怎么样在比较小尺寸的器件中提供很好的性能?

二、效率;现在手机充电可以做到20W以上,甚至还有40W的快充,就是为了效率。如果效率不够,发热也会很严重。

三、EMI也很重要;近几年的研发设计中,EMI已越来越受重视。EMI会带来很多意想不到的问题,比如系统稳定性、可靠性,比如对其它器件的干扰以及其它器件对自身的干扰等。

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三个核心要素助力工业4.0发展

制造能力的提升决定一个国家的发展速度,因此工业4.0对中国非常重要,也是智能制造的重要组成部分。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,而电源则是所有的工业应用场合的基础,如果电源都不稳定,那么这个系统就很难稳定工作。

梁再信表示:“Power by Linear产品的三个核心要素,高效率、小尺寸、EMI做得非常好,可以助力工业4.0的发展。”

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数据显示,全球半导体相关的设备投入中,中国2018年的同比增幅最大,台湾、美国持平,韩国微跌,这得益于中国对于半导体产业的大力支持。作为半导体生产、测试、封装的过程中的设备的基础,电源处于至关重要的地位。梁再信表示:“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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据梁再信介绍,PowerModule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提供很好的技术和产品支持,用小体积、高效率的产品、在很小的空间里支持更多的器件,协助他们完成挑战性的设计。

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ADI创新性的Silent Switcher采用了两个反向电流环,用两层板做标准设计,解决了EMI和干扰的问题。“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。

此外,工业线上会用到很小的隔离电源,但电路大多比较复杂,为了把传统的隔离电源产品极度简化, ADI推出一系列隔离电源产品,只需一个变压器,输出仅用到二极管和滤波电容,不需要其他的反馈,同样可以把效率做得很高,输出稳定性做得非常好。

梁再信介绍到:“这是不同细节上的创新,怎么把别人能做到的事情做得效率更高、可靠性更好。此外,我们也有一系列的包含变压器的高集成度隔离电源模块,可以给我们的工业客户直接使用。”

从电源基础上保证汽车电子的安全性

近几年自动驾驶技术突飞猛进,除了必不可少的激光雷达和微波雷达系统之外,车身测量系统对自动驾驶也非常重要,常用的就是惯导和陀螺仪。ADI的Power by Linear产品在汽车领域也有非常多的应用方向,涉及激光雷达(Lidar)、雷达(Radar)、IMU、ECU、48伏系统、LED等热门领域。

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2016年,ADI发布了业界最低噪声的LT3045,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,LT3045在同样电流下只有0.8μV,1M以下PSRR值都在78个dB以上。梁再信表示:“我们电源产品有非常低的噪声和非常高的PSRR值,给Lidar、Radar供电的时候可以显著提升性能,使得整个系统的噪声是很小的,让整车和乘客更安全。”

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随着汽车智能化的发展,车身上的电子部件越来越多,EMI干扰问题就成了设计思考的重点。ADI展示出Silent Switcher后,获得了汽车业界Tier 1和车厂的认可,梁再信表示:“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。”

除了Silent Switcher,ADI还做了一些不同的东西,如PoDL, 即Power Over Data Line,PoDL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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此外,ADI还对奥迪A8的LED矩阵汽车大灯做了改进。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。梁再信表示:“这就是Power by Linear一直在想的:把产品做好的同时能否在器件的人性化、安全性上,帮业界做得更好。”

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除了车身上的应用,ADI在电源管理、动力总成和娱乐信息领域都推出了一系列性能优越的产品。

梁再信分享了一种比较特殊的应用。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。

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除了48伏系统,传统燃油汽车的发动机也是很大得机会。中国每年卖2000多万台汽车,意味着每年有2000多万个新增发动机,把发电变成直流电给蓄电池供电。过去会用到的传统二极管当整流桥,但传统二极管是有压差的,电流越大压差反而不是很好,大概可以有0.4伏到0.7伏的差,这是很大的功率损耗。所以我们做了一个产品,叫理想二极管桥堆,用MOS管代替二极管,MOS管的阻抗比较低,可以提高效率,比较少的功率损耗,桥堆不需要散热器,非常高的可靠性和可靠的效率,这也是为了让汽车能进一步节省能源、提升运营效率。

ADI还有汽车保护的器件。汽车电瓶和整个系统越来越复杂,系统难免在启动时会出现一些瞬间的高压现象,这种高压对系统是非常大的挑战,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,有可能瞬间到70伏把组件打坏,以往最常见做法是加PVS管,但是3000瓦、6000瓦的PVS管体积比较大,比较难固定,稳定性和可靠性怎么实现?

梁再信表示:“我们考虑Surge Stopper,把瞬间脉冲的干扰电源尖的部分全部消掉,在我们设定的标准范围之内。所以在汽车领域,让系统更安全,当电压超过设定值的时候,整个系统能够把所有高压的部分全部消掉,留给后面的就是可控的电源工艺,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,因为这和人的生命安全是息息相关的,这也是我们在汽车安全上所做的创新和开发。”

三个维度剖析通信电源芯片的挑战

在5G预商用的信息发布之前,很多普通老百姓都认为5G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都面临非常大的挑战:设备越来越小,带宽越来越宽,功率越来越高。中国有上百万个基站,如何才能解决这些问题?

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梁再信将通信分为三个纬度,无线、有线、光通信,进行了深入浅出的分析。

无线通信:现在模块要求要变小、集成,随之而来的就是供电和散热问题。

如果说一个通信的板卡需要非常高的功率密度,怎么做?以FPGA的0.8V内核电压、100A的输出电流为例,2010年ADI需要12片LTM4601才可以做到100安培,2012年推出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,直到最近,ADI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,非常了不起的成就。

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电源模块的设计在通信上为什么受到非常多的关注?梁再信表示:“就是因为它帮助通信公司极大解决了散热、尺寸、体积和运营效率的问题。”

基站使用PoE供电,能节省非常多的成本。ADI最新的POE可以支持150W,也就是说普通的小基站,基本上一根网线过去数据和电源都搞定。POE供电加上模块设计,可以让基站电源的设计更简化。

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有线通信方面,ADI有很多好的产品可以支持,包括POE、Silent Switcher等。

有线与无线不同,需要热插拔、非常高的转换效率,也需要一些电源管理的应用。通信上,局端的设备温度非常高,效率非常重要,ADI的产品可以帮助局端的设备提高应用效率。另一个挑战则是传统电源的电路过大,效率达到93%、94%就很难再往上提高。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。

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为了提高效率,ADI做了大胆的尝试。对于几百瓦功率电源变化来说,频率不会很高,电感损耗就很大。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:如何把传统我们认为效率很难做到很高的电路,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,设计更简化、更容易,系统稳定性更好。”

光通信是下一个热点。

全球的光模块市场,每年增长的数据非常可观,而中国的数据则比全球市场增长速度还要来得快,说明在中国的基础建设中光模块、光通信还有很多年的时间可以去推动,特别是5G的上线会进一步推动光模块的发展。

梁再信认为光通信方面最大的挑战是光模块的体积。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。梁再信表示电源模块会有三个方向:一是大功率、二是小体积、三是做薄,虽然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。

能源的采集与监测

能源的重要性众所周知,而中国国家电网的水平在全世界首屈一指,特高压输电等系统做得最好。几年前湖北冰灾,电网受损,很多城市都断电,那是因为当时没有很好的电力线监控监测系统,国家电网后面几年发展非常快,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。

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此外,ADI也在考虑一些新的创新,比如如何从空间吸取能量。梁再信指出空间能量有很多种,最常见的就是太阳能,但太阳能面板体积比较大,还有一些能量如温差、振动,虽然看起来是很微弱、很弱小的能量,但能不能为我们所用呢?

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振动发电方面,ADI的换能器电源转换芯片LTC3588,配合小体积的换能器可以在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。但如果有一个电机的监控设备,如果用这个换能器和转换电路可以稳定地给我们的监控电路提供3.3伏、大概0.2毫安的电流,这对于很多微弱电流的监控系统来讲,这个电流已基本足够用,可以实现设备的终身免维护和无人值守,适用于一些不能人工操作的应用场景。

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温差发电方面,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。假如使用到可穿戴设备上,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。

此外,ADI还在考虑如何改进温差发电转化技术。梁再信表示:“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,这已经是非常大的挑战了,但我们在考虑换能器能不能再突破一下。”目前ADI美国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。

如果这样的器件和换能器实现、发布以后,可以想像ADI将获得全球可穿戴设备市场很大的份额。

提供多款免费开发工具

ADI在中国的营收在全球中占比逐年上升,市场对ADI支持的需求也越来越多,为了配合国内工程师使用Power by Linear产品,ADI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,可使用LTpowerPlay;
  • 传统ADI的电源产品也有一个仿真工具叫ADIsimPE。

以上4个软件都可以在ADI官网免费下载使用。

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LINEAR虽被收购,但形象仍在!

综合本场见面会来看,Power by Linear有3点想传递:

  1. 追求创新,在实现高性能的同时保持合理的价格,让客户不仅用得起,还愿意跟着LINEAR往前走、用最新的技术和设计。
  2. 尽可能在全世界范围内提供卓越的技术支持,让客户使用LINEAR电源产品的时候能够简单易用,能获得相应的支持。
  3. 有全球最好的品质和可靠性,这是业内多年公认和经过验证的,LINEAR的品质是很好的,希望大家记住Power by Linear。

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梁再信表示:“虽然LINEAR被收购变成ADI的一份子,但我们ADI的Logo上,电源产品上还有LINEAR的形象存在。Power by Linear会伴随着大家一起往前走。我们也希望在中国的电源产品、科技发展创新上能有更多的推动力。”

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