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工业、汽车、通信已达爆发临界点 ADI助力解决电源三大关键难题

2018-11-05 17:20:54 来源:半导体器件应用网 作者:张文灵

【大比特导读】这些领域也面临着许多挑战,电源设计方面主要面临尺寸、效率和EMI三大关键难题。而ADI的Power by Linear电源器件产品能够帮助客户解燃眉之急。

工业4.0、智能汽车和5G通信等市场正在逐渐爆发,并显现出越来越大的机遇前景。然而,这些领域也面临着许多挑战,电源设计方面主要面临尺寸、效率和EMI三大关键难题。而ADI的Power by Linear电源器件能够帮助客户解燃眉之急。

工业4.0要求严苛

工业4.0已经成为行业的大趋势,并有望在不久的将来会出现大幅增长。美国锡安市场研究公司(ZionMarketResearch)指出,2017年全球工业4.0市场价值约为6610亿美元,并预计到2024年将达到约1550.3亿美元,而在2018年至2024年间的复合年增长率将高于14.9%。

近日,ADI电源系统工程总监梁再信在接受《半导体器件应用》记者采访时表示,未来工业4.0的设备和装置的智能化会越来越高,因此,它对产品灵活度、效率、通信、安全性和可靠性等关键性能的要求也越来越高。因此,他认为工业4.0领域的电源设计,对产品的效率、尺寸和EMI三个方面的性能指标制定极为严苛。

ADI电源系统工程总监梁再信

工业4.0对中国非常重要,也是智能制造的重要组成部分,中国近年来的设备采购量也是领先全球的。预计2020年,我国国内智能制造市场规模将超过2200亿元。不过,梁再信认为,中国要提升战略布局,要提升工业制造能力,如果电源设计做得不好就是空话,“自动化工业机器人死机是很可怕的事”。

而ADI一直致力于研发更高效率、更低EMI、更小尺寸的电源产品,帮助客户向工业4.0过渡。 在本次采访中,梁再信介绍了ADI公司的静默开关电源、无光耦隔离电源和电源模块在工业中的应用。

首先,为解决开关电源EMI对其他设备的干扰问题,ADI推出了一种“静默开关电源”(Silent Switcher)。它们在芯片设计上做了两个反向的电磁优化,它们所产生的磁力线是闭合的,所以对外界EMI的干扰就会小很多,可以满足CISPR25的EMI标准。在机器人、工业控制乃至汽车领域,该技术都可以帮助客户节省数月的EMI认证时间。

Silent Switcher

据其介绍,Silent Switcher® 架构使用了 4 个内部输入电容器以及两个内部 BST 和单个 INTVCC 电容器,以最大限度减小热环路面积。这种改进的 EMI 性能对 PCB 布局不敏感,从而简化了设计,降低了风险,甚至在使用两层 PC 板时也不例外。

其次,在工业应用方面,ADI还推出了无光耦隔离电源。传统的光耦隔离电路比较复杂,而通过减少使用光耦隔离电路,系统的可靠性和稳定性可以大幅度提升。据介绍,这种电路的输出也可以做到0.5%的精度,效率可达到90%以上。

无光耦隔离电源

另外,工业应用中,越来越多的采用电源模块来缩减电源电路板尺寸、简化电路设计。为此,ADI的Power by Linear电源模块采用电流反馈模式,用户可以把不同的输出并联在一起以得到不同电流的组合,极大地方便了用户选择。

汽车安全性尤为重要

从汽车产业来看,2017年新能源汽车销量占比突破1%,这标志着新能源汽车产业将从探索期迈入发展导入期,在2020年以后,市场将迎来爆发式发展。与此同时,2020年~2025年是汽车产业转型升级的关键期,以智能网联汽车为代表的新型汽车将快速发展。

而中国在新能源汽车和智能汽车方面在全球拥有市场和先发优势。数据显示,2017年,中国新能源汽车产销分别完成79.4万辆和77.7万辆,同比分别增长53.8%和53.3%,产销量连续三年位居世界第一。

梁再信认为,最近几年自动驾驶技术的发展突飞猛进,由于它用到非常多的激光雷达、微波雷达、还有车身测量系统等,因此安全显得非常重要。

尤其是EMI方面。随着汽车中电子系统数量的成倍增加,车内产生电磁干扰的风险也大幅升高了。因此,新式车辆中的电子产品常常必须符合 CISPR 25 Class 5 EMI 测试标准,该标准对传导型和辐射型 EMI 发射做了严格的限制。由于其本身的性质,开关电源充斥着 EMI,并在整个汽车中“弥漫扩散”。如今,低 EMI 与小的解决方案尺寸、高效率、散热能力、坚固性和易用性一起,成为了对汽车电源的一项关键要求。

为此,ADI推出了超低噪声、超高电源纹波抑制 (PSRR) 低压差电压线性调节器 LT3042。该器件独特的设计具有仅为 2nV/√Hz (在 10kHz) 的超低点噪声和 0.8µVRMS 的积分输出噪声 (在 10Hz 至 100kHz 的宽带宽内)。LT3042 运用了 LTC 的专有 LDO 架构,即在一个高精度电流源基准之后布设一个高性能单位增益缓冲器,从而可产生几乎恒定的带宽、噪声、PSRR 和负载调节性能。此外,该架构还允许把多个 LT3042 并联起来使用,以进一步降低噪声、增加输出电流和在印刷电路板 (PCB) 上散播热量。
低压差电压线性调节器 LT3042

另外,Silent Switcher技术也可用于自动驾驶,它的EMI也非常低。

在未来汽车里面,以太网是一个热点。梁再信表示,通过类似ADI创新型方案A2B、C2B一样,PoDL可实现数据线供电,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。为此,ADI推出了PSE和PD解决方案。

低压差电压线性调节器 LT3042

此外,传统的燃油车和纯电动汽车之间,还存在中间的形态混合动力汽车,大部分的混动汽车都会同时有48伏和12伏系统。如何解决大功率48伏系统和12伏系统之间的平衡和转换?

梁再信认为,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。“Power by Linear针对48V/12V系统推出专门的应用方案:双向两相同步降压或升压型控制器LTC3871。”

据介绍,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。当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。除了LTC3871,ADI还有一系列产品可以支持这样48V/12V的转换。
48V/12V
 
对于传统汽车,ADI推出了理想二极管桥。梁再信表示,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,但传统二极管有压差,电流越大,压差越不好,这是很大的功率损耗。而ADI的理想二极管桥用MOS管代替二极管。由于MOS管阻抗比较低可以提高效率,产生比较少的功率损耗,所以桥堆不需要散热器,而且具有非常高的可靠性和效率。

5G通信面临尺寸、带宽等挑战

根据预计2020年5G正式商用算起,预计当年将带动约484亿元的直接产出,2025年、 2030 年将分别增长到3.3万亿元、6.3万亿元,10年间的年均复合增长率为29%,5G带动万亿经济产出。

梁再信认为,下一代的通信技术5G即将来临,2019年在将在中国正式商用。5G可以大大提升消费体验,但对华为、思科、爱立信、中兴等而言,5G通讯面临着非常大的挑战:设备越来越小,带宽越来越宽,功率越来越高。而且,在5G时代,中国将会有上百万个基站,如果把能源密度做高,省的电是非常可观的。与此同时,5G通信肯定需要很好的效率和很好的可靠性。

未来满足5G网络对电源系统的功率密度、效率和可靠性要求,Power by Linear提供一系列的产品来应对这些挑战。

梁再信认为,无线基站模块小型化和高集成度对于供电、散热、效率和可靠性性能要求很高。
而要实现高集成度的电源产品,电路板小尺寸、薄型化以及大电流化是关键方向。而ADI的LTM46xx电源模块,能够实现帮助将PCB尺寸缩小30-100倍,让产品设计工程师专注于做系统级设计。

LTM4700

此外,解决大电流的问题是电源设计的另外一个关键点,这方面不得不提ADI的LTM4700。以FPGA的0.8V内核电压、100A的输出电流为例,ADI电源模块在2010年需要12片LTM4601才能做到100A,经过3次迭代,到最新的LTM4700只要1片就能做到100A!据介绍,基于封装材料和COP封装工艺的迭代,LTM4700内置了散热器,将电感从模块中移至模块上帮助散热,电感可以非常有效的把热从空气中带走,其散热性能胜过离散的方案。

LTM4700

与无线不同,有线设备需要热插拔、高转换效率以及电源管理PSM的应用。此外,由于局端设备的温度非常高,效率优化十分重要。传统的电源,效率到93%、94%,就很难再提升了。ADI推出的LTC7820是一款固定比例高电压高功率开关电容器,它用CFLY(飞电容) 取代过去损耗比较大的电感,从48V到24V,其功率达到500W,效率为99%左右。

在采访的最后,他表示:“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。我们也希望为中国的电源产品、科技发展创新上提供更多的推动力。”

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