電源“老三篇”，ADI要這樣玩出新花樣

在半導體技術(shù)中，與數(shù)字技術(shù)隨著摩爾定律延續(xù)神奇般快速更新迭代不同，模擬技術(shù)的進步顯得緩慢，其中電源半導體技術(shù)尤其波瀾不驚，在十年前開關(guān)電源就已經(jīng)達到90+%的效率下，似乎關(guān)鍵指標難以有大的突破，永遠離不開的性能“老三篇”——效率、尺寸、EMI/噪聲，少有見到一些突破性的新技術(shù)面市。

在前不久舉辦的第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會上，ADI電源產(chǎn)品中國區(qū)市場總監(jiān)梁再信(Lorry)就高性能電源技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢與創(chuàng)新趨勢發(fā)表了演講，并向業(yè)界媒體揭了 “家底”——ADI電源品牌Power By Linear的技術(shù)家底，以及在電源領(lǐng)域的不同玩法。

1+1>2之ADI“Power by Linear”

ADI成功并購Linear讓業(yè)界驚呼模擬半導體的世界版圖被重新解構(gòu)，兩個高性能模擬技術(shù)的領(lǐng)頭羊的融合到底將帶來哪些改變呢?或許Lorry分享的這張圖能說明問題，對ADI產(chǎn)業(yè)版圖帶來最大改變的無疑是電源。ADI在定制化電源領(lǐng)域的優(yōu)勢與Linear在電源領(lǐng)域的傳統(tǒng)強勢，形成非常明顯的1+1>2的整合效應(yīng)。并購Linear后的ADI在全球電源市場中也已穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)了第二的位置，并前所未有的保留了收購對象的品牌(ADI新的電源子品牌——Power by Linear)。毫無疑問電源市場已成為ADI全球產(chǎn)業(yè)布局的重要一環(huán)，那么在繼承Linear電源領(lǐng)域強大技術(shù)資源之后的ADI，有哪些強大的新優(yōu)勢呢?

與Linear的合并帶來最大的增強產(chǎn)品線是電源，Power By Linear的新品牌正在實現(xiàn)1+1>2的整合效應(yīng)。

Lorry表示整合Linear的電源技術(shù)后Power by Linear未來將繼續(xù)在三大方向發(fā)力：

l Form Factor— 在做出高性能電源的同時，減少PCB尺寸以及增加更多的功能

l Efficiency— 做到更加節(jié)能、提高效率，不斷突破極致

l EMI— 提高產(chǎn)品的可靠性、創(chuàng)新性，設(shè)計出更完美的噪聲處理方案

沒錯，電源技術(shù)不可能逃出這“老三篇”，但關(guān)鍵的三大指標如何實現(xiàn)新突破卻是八仙過海各顯神通，Lorry在他的演講中強調(diào)了ADI的獨家“神通”秘笈。

三招并舉，“Form Factor”小型化大躍進

要想做出高集成度的電源產(chǎn)品，實現(xiàn)更小的“Form Factor”，電路板小尺寸、薄型化以及大電流化是關(guān)鍵方向。

那要怎么縮小電路板尺寸?“我們首先就是要做好電源模塊，讓產(chǎn)品設(shè)計工程師專注于做系統(tǒng)級設(shè)計，而不用花時間去調(diào)一個復雜的電源系統(tǒng)。”Lorry表示。他給出了下圖的某個系統(tǒng)IO和內(nèi)核供電系統(tǒng)的示例，成功節(jié)省30到100倍的元器件數(shù)量，而且整個系統(tǒng)的可靠性也會得到提升。

ADI是如何做到30到100倍元器件節(jié)省的呢?“這主要源于ADI在過去幾十年發(fā)展過程中衍生的一系列可匹配現(xiàn)在電路板的應(yīng)用模塊，包括系統(tǒng)級電源(3.3V或者IO電源)、低EMI低噪聲電源模塊等。”Lorry指出，“比如從四年前的LTM8050(高輸入電壓2A)是15mm×9mm×4.92mm的封裝規(guī)格，到現(xiàn)在的LTM8063(高輸入電壓2A)是6.25mm×4mm×2.22mm，體積很顯著的縮小了。”那未來還能不能做得更小呢?Lorry在介紹ADI電源模塊尺寸發(fā)展史時透露，更小尺寸的將會在下半年或者明年發(fā)布。

第二大關(guān)鍵就是如何做薄。對于這一點，Lorry表示ADI已經(jīng)發(fā)布了1.82mm的產(chǎn)品，其中設(shè)計的電源能夠與主芯片共用同樣的散熱器。Lorry還指出，薄型化電源的設(shè)計是ADI電源技術(shù)向高集成度發(fā)展路上極其重要的一環(huán)，這也是未來電源模塊發(fā)展的一大方向。

解決大電流的問題是電源設(shè)計的另外一個關(guān)鍵點，Lorry以FPGA的0.8V內(nèi)核電壓、100A的輸出電流為例進行了分享：“2010年時需要12片LTM4601;2012年時需要4片LTM4620;2014年發(fā)布的LTM4630只要3片;而到了2016年，兩片LTM4650 就能達到目標。”Lorry 指出，“今年7月份，ADI會發(fā)布一款新品——LTM4700，一塊就能達到上述目標。”八年十二倍的提升，Lorry的分享的這組數(shù)據(jù)讓與會媒體人士印象深刻!

那么ADI為什么可以做到單片支持100A呢?Lorry從電源模塊封裝技術(shù)上給出了說明。ADI的電源模塊共經(jīng)歷了四代技術(shù)更新：第一代是將PCB邦定電容、電阻、電感，做一個塑型封裝;第二代是在第一代基礎(chǔ)上內(nèi)嵌金屬散熱襯底，加快散熱;第三代則是加入COP技術(shù)，改善它的效率，從而也改進了它的性能。

Silent Switcher，EMI進化標桿

電源的噪聲和干擾似乎是設(shè)計工程師永遠的痛，怎樣才能減少工程師在系統(tǒng)設(shè)計中的噪聲和干擾苦惱呢?Lorry指出，EMI一般是由電源干擾引起的，為解決這個問題ADI的Silent Switcher技術(shù)特別對噪聲和干擾指標進行深度優(yōu)化。而ADI現(xiàn)在正在推出的Silent Switcher 2能達到93%的效率下滿足CISPR25 Class 5 EMI的指標，且遠遠低于國際指標。Lorry很自信的表示：“ADI的競爭對手還處在一代技術(shù)，正在跟進第二代，而ADI內(nèi)部已經(jīng)著手研發(fā)第三代Silent Switcher技術(shù)了。”

Silent Switcher2到底是怎么實現(xiàn)的?Lorry指出：“技術(shù)本身并不難，難點在于如何在工藝工程上讓它形成環(huán)路且在流動的時候是反向的。”如下圖示意：磁場反向形成了閉環(huán)回路，這樣的磁場對外界的干擾會小很多。“第三代的Slient Switcher在技術(shù)上將會解決如何在超小體積、高功率模式下還能控制EMI，并且要讓EMI指標遠遠低于Class5國際標準。” Lorry對Slient Switcher的未來發(fā)展充滿信心。

“低噪聲和紋波對電源來說這很重要。大家知道LDO就是為了降低紋波，而且也能提高效率。但電路板上還有一些給ADC用的基準電源，它的噪聲也比較低。但基準和LDO針對的應(yīng)用場景卻不一樣，前者追求初始精度和長期穩(wěn)定性，而后者則是追求怎樣去輸出大電流。” Lorry補充分析道。Lorry給出的下圖對Power By Linear的超低噪聲LDO讓人印象深刻，LT3045的實測噪聲遠低于鋰電池電源的噪聲!

四個典型噪聲示波器采樣圖

超越99%，追求Efficiency的極限

“效率是全世界電源工程難題，Why?因為電感不可能是理想電感，MOS管也不可能是理想開關(guān)，這兩者都存在一定的損耗。無論是DCR還是電池轉(zhuǎn)換，都無法逾越傳統(tǒng)電源的弊端。” Lorry指出，“正是為了提高效率，所以才有了開關(guān)電源的出場。”十多年前的開關(guān)電源就已經(jīng)達到90+%的效率，雖然永遠不可能100%，但可以追求效率的極致。

“為了減少外圍器件的體積，我們把開關(guān)頻率提高了。但是頻率的提升會導致開關(guān)的損耗越來越大，效率也很難提升，怎么辦?”Lorry自問自答提出的這個難題，“電感作為儲能器件一定有轉(zhuǎn)換的效率問題，所以我們考慮去掉電路中的電感，最近發(fā)布的LTC7820就是這樣一個沒有電感的開關(guān)電源。”

通過ADI創(chuàng)新技術(shù)和工藝方法設(shè)計出的LTC7820，是一款固定比例高電壓高功率開關(guān)電容器 / 充電泵控制器，它達到了99%左右的轉(zhuǎn)換效率，即便在2A到20A范圍的輸出電流中，也能可維持99%的電源轉(zhuǎn)換效率。也可從高達 72V 的輸入電壓實現(xiàn)一個 2:1 的降壓比、從高達 36V 的輸入電壓實現(xiàn)一個 1:2 的升壓比、或從高至 36V 的輸入電壓實現(xiàn)一個 1:1 的負輸出轉(zhuǎn)換比。

“雖然 LTC7820要求的電壓轉(zhuǎn)換是呈比例的才能維持99%的轉(zhuǎn)化效率，但第二代產(chǎn)品LTC7821 采用了一種把軟開關(guān)充電泵拓撲與一個同步降壓型轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的專有架構(gòu)，以提供比傳統(tǒng)開關(guān)架構(gòu)更勝一籌的效率。” Lorry 在介紹LTC7821時特地強調(diào)了其獨特的構(gòu)架。

電源創(chuàng)新，期待ADI Power By Linear的力量

人類追求更高效率利用能源的歷史大概與人類本身一樣長，隨著環(huán)境意識增強以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用普及、產(chǎn)品便攜、可穿戴的趨勢發(fā)展下，在電源的小尺寸、低EMI、高效率上的創(chuàng)新會依然層出不窮。作為整合后的強勢電源品牌，結(jié)合ADI高性能信號鏈技術(shù)，Power By Linear在未來高性能電源領(lǐng)域的表現(xiàn)可以有更高的期待。