在半导体技术中,与数字技术随着摩尔定律延续神奇般快速更新迭代不同,模拟技术的进步显得缓慢,其中电源半导体技术尤其波澜不惊,在十年前开关电源就已经达到 90+%的效率下,似乎关键指标难以有大的突破,永远离不开的性能“老三篇”——效率、尺寸、EMI/ 噪声,少有见到一些突破性的新技术面市。
 
在前不久举办的第七届 EEVIA 年度中国 ICT 媒体论坛暨 2018 产业和技术展望研讨会上,ADI 电源产品中国区市场总监梁再信(Lorry)就高性能电源技术的发展态势与创新趋势发表了演讲,并向业界媒体揭了 “家底”——ADI 电源品牌 Power By Linear 的技术家底,以及在电源领域的不同玩法。
 
 
1+1>2 之 ADI“Power by Linear”
 
ADI 成功并购 Linear 让业界惊呼模拟半导体的世界版图被重新解构,两个高性能模拟技术的领头羊的融合到底将带来哪些改变呢?或许 Lorry 分享的这张图能说明问题,对 ADI 产业版图带来最大改变的无疑是电源。ADI 在定制化电源领域的优势与 Linear 在电源领域的传统强势,形成非常明显的 1+1>2 的整合效应。并购 Linear 后的 ADI 在全球电源市场中也已稳稳占据了第二的位置,并前所未有的保留了收购对象的品牌(ADI 新的电源子品牌——Power by Linear)。毫无疑问电源市场已成为 ADI 全球产业布局的重要一环,那么在继承 Linear 电源领域强大技术资源之后的 ADI,有哪些强大的新优势呢?
 
与 Linear 的合并带来最大的增强产品线是电源,Power By Linear 的新品牌正在实现 1+1>2 的整合效应。
 
Lorry 表示整合 Linear 的电源技术后 Power by Linear 未来将继续在三大方向发力:
 
lForm Factor— 在做出高性能电源的同时,减少 PCB 尺寸以及增加更多的功能
 
lEfficiency— 做到更加节能、提高效率,不断突破极致
 
lEMI— 提高产品的可靠性、创新性,设计出更完美的噪声处理方案
 
没错,电源技术不可能逃出这“老三篇”,但关键的三大指标如何实现新突破却是八仙过海各显神通,Lorry 在他的演讲中强调了 ADI 的独家“神通”秘笈。
 
三招并举,“Form Factor”小型化大跃进
 
要想做出高集成度的电源产品,实现更小的“Form Factor”,电路板小尺寸、薄型化以及大电流化是关键方向。
 
那要怎么缩小电路板尺寸?“我们首先就是要做好电源模块,让产品设计工程师专注于做系统级设计,而不用花时间去调一个复杂的电源系统。”Lorry 表示。他给出了下图的某个系统 IO 和内核供电系统的示例,成功节省 30 到 100 倍的元器件数量,而且整个系统的可靠性也会得到提升。
 
 
ADI 是如何做到 30 到 100 倍元器件节省的呢?“这主要源于 ADI 在过去几十年发展过程中衍生的一系列可匹配现在电路板的应用模块,包括系统级电源(3.3V 或者 IO 电源)、低 EMI 低噪声电源模块等。”Lorry 指出,“比如从四年前的 LTM8050(高输入电压 2A)是 15mm×9mm×4.92mm 的封装规格,到现在的 LTM8063(高输入电压 2A)是 6.25mm×4mm×2.22mm,体积很显著的缩小了。”那未来还能不能做得更小呢?Lorry 在介绍 ADI 电源模块尺寸发展史时透露,更小尺寸的将会在下半年或者明年发布。
 

 

 
第二大关键就是如何做薄。对于这一点,Lorry 表示 ADI 已经发布了 1.82mm 的产品,其中设计的电源能够与主芯片共用同样的散热器。Lorry 还指出,薄型化电源的设计是 ADI 电源技术向高集成度发展路上极其重要的一环,这也是未来电源模块发展的一大方向。
 
  
 
 
 
解决大电流的问题是电源设计的另外一个关键点,Lorry 以 FPGA 的 0.8V 内核电压、100A 的输出电流为例进行了分享:“2010 年时需要 12 片 LTM4601;2012 年时需要 4 片 LTM4620;2014 年发布的 LTM4630 只要 3 片;而到了 2016 年,两片 LTM4650 就能达到目标。”Lorry 指出,“今年 7 月份,ADI 会发布一款新品——LTM4700,一块就能达到上述目标。”八年十二倍的提升,Lorry 的分享的这组数据让与会媒体人士印象深刻!
 
 
那么 ADI 为什么可以做到单片支持 100A 呢?Lorry 从电源模块封装技术上给出了说明。ADI 的电源模块共经历了四代技术更新:第一代是将 PCB 邦定电容、电阻、电感,做一个塑型封装;第二代是在第一代基础上内嵌金属散热衬底,加快散热;第三代则是加入 COP 技术,改善它的效率,从而也改进了它的性能。
 
Silent Switcher,EMI 进化标杆
 
电源的噪声和干扰似乎是设计工程师永远的痛,怎样才能减少工程师在系统设计中的噪声和干扰苦恼呢?Lorry 指出,EMI 一般是由电源干扰引起的,为解决这个问题 ADI 的 Silent Switcher 技术特别对噪声和干扰指标进行深度优化。而 ADI 现在正在推出的 Silent Switcher 2 能达到 93%的效率下满足 CISPR25 Class 5 EMI 的指标,且远远低于国际指标。Lorry 很自信的表示:“ADI 的竞争对手还处在一代技术,正在跟进第二代,而 ADI 内部已经着手研发第三代 Silent Switcher 技术了。”
 
 
Silent Switcher2 到底是怎么实现的?Lorry 指出:“技术本身并不难,难点在于如何在工艺工程上让它形成环路且在流动的时候是反向的。”如下图示意:磁场反向形成了闭环回路,这样的磁场对外界的干扰会小很多。“第三代的 Slient Switcher 在技术上将会解决如何在超小体积、高功率模式下还能控制 EMI,并且要让 EMI 指标远远低于 Class5 国际标准。” Lorry 对 Slient Switcher 的未来发展充满信心。
 

 

 
“低噪声和纹波对电源来说这很重要。大家知道 LDO 就是为了降低纹波,而且也能提高效率。但电路板上还有一些给 ADC 用的基准电源,它的噪声也比较低。但基准和 LDO 针对的应用场景却不一样,前者追求初始精度和长期稳定性,而后者则是追求怎样去输出大电流。” Lorry 补充分析道。Lorry 给出的下图对 Power By Linear 的超低噪声 LDO 让人印象深刻,LT3045 的实测噪声远低于锂电池电源的噪声!
 
四个典型噪声示波器采样图
 
超越 99%,追求 Efficiency 的极限
 
“效率是全世界电源工程难题,Why?因为电感不可能是理想电感,MOS 管也不可能是理想开关,这两者都存在一定的损耗。无论是 DCR 还是电池转换,都无法逾越传统电源的弊端。” Lorry 指出,“正是为了提高效率,所以才有了开关电源的出场。”十多年前的开关电源就已经达到 90+%的效率,虽然永远不可能 100%,但可以追求效率的极致。
 
“为了减少外围器件的体积,我们把开关频率提高了。但是频率的提升会导致开关的损耗越来越大,效率也很难提升,怎么办?”Lorry 自问自答提出的这个难题,“电感作为储能器件一定有转换的效率问题,所以我们考虑去掉电路中的电感,最近发布的 LTC7820 就是这样一个没有电感的开关电源。”
 
 
通过 ADI 创新技术和工艺方法设计出的 LTC7820,是一款固定比例高电压高功率开关电容器 / 充电泵控制器,它达到了 99%左右的转换效率,即便在 2A 到 20A 范围的输出电流中,也能可维持 99%的电源转换效率。也可从高达 72V 的输入电压实现一个 2:1 的降压比、从高达 36V 的输入电压实现一个 1:2 的升压比、或从高至 36V 的输入电压实现一个 1:1 的负输出转换比。
 
“虽然 LTC7820 要求的电压转换是呈比例的才能维持 99%的转化效率,但第二代产品 LTC7821 采用了一种把软开关充电泵拓扑与一个同步降压型转换器相结合的专有架构,以提供比传统开关架构更胜一筹的效率。” Lorry 在介绍 LTC7821 时特地强调了其独特的构架。
 
电源创新,期待 ADI Power By Linear 的力量
 
人类追求更高效率利用能源的历史大概与人类本身一样长,随着环境意识增强以及物联网应用普及、产品便携、可穿戴的趋势发展下,在电源的小尺寸、低 EMI、高效率上的创新会依然层出不穷。作为整合后的强势电源品牌,结合 ADI 高性能信号链技术,Power By Linear 在未来高性能电源领域的表现可以有更高的期待。