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电源的“尺寸、效率和EMI”三大问题的解决思路

作者:王金旺时间:2018-04-19来源:电子产品世界收藏

在消费、工业等产品及系统设计中,部分非常重要,如果做不好,系统就不够稳定。Linear作为业内顶尖产品公司,在2016年被收购后,全新的子品牌Powerby Linear也由此诞生。新品牌整合Linear和电源产品优势,对电源产品的新的研究和理解使得其在近两年也为行业带来了诸多全新产品。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201804/378638.htm

在第七届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先生就电源技术现存问题及解决思路进行了分析和分享。

电源管理的三大问题

ADI在电源方面主要就三个重要的问题方面进行创新:,如图1所示。

图1 Powerby Linear致力于解决的三大电源难题

小型化

在电源模块小型化方面,ADI做了三方面的尝试,包括超小体积、超薄和超大电流。

  在方面,要缩小电路板就要提高集成度。在一个供电系统中,如果电流比较大,例如为10A,3.3V,1.8V这样的调整就很麻烦,你会遇到很多MOS管带来的反馈回路,光做这个就要花很多时间,这就需要有一个电源模块,这样的集成让我们的产品设计工程师能够专注于做系统级的设计,而不需要花时间调一个复杂的电源系统。

针对电源模块小型化趋势,以15A的buck电路为例,四年前的LTM4627电源模块尺寸为15mm×15mm×4.92mm,而在2018年5月-6月将会发布的LTM4638尺寸则会缩小为6.25mm×6.25mm×5.02mm,体积缩小了很多,功率密度也有很大的提升,如图2所示。

图2 LTM4627与LTM4638尺寸对比

而电源模块小型化趋势的另一个要求是“薄”。电源模块中集成有电感,而电感比较高,这会影响到电源模块的厚度。而现在ADI已经发布的1.82mm的μModule电源产品通过两种方式进一步降低了电源模块的厚度。第一,与主芯片共用散热器,从而不用再另外增加模块厚度,这样虽然电源还是会发热,不过优点是系统设计比较容易;第二,贴在电路板背面,从而降低了正面的高度,但是存在的问题是在很多系统设计中,背板的高度是有限制的,可能只允许放08、05、03厚度的电容,传统的电源模块显然是不能满足要求的。

图2 两种使电源模块更薄的设计方法

大电流问题是挑战工程极限的做一个非常重要的探索。FPGA需要一个0.8V/100A的Core电压,这在过去很难设计的,因为电流实在太大了,而且0.8V的core电压如果波动范围超过3%或5%,可能会导致FPG死机。2010年Linear推出的LTM4601需要12片才能实现100A电流输出;2012年的LTM4620,每片可以实现25A电流输出,4片就能实现100A的电流输出;2014年推出的LTM4630,每片有35A的输出电流,3片就可以实现100A的电流输出;2016年发布的LTM4650,一片能够实现50A电流输出,两片就可以做到100A;而2018年7月将发布的全新LTM4700,一片就可以实现100A电流输出,同时,尺寸也做得很小,用这个模块很容易拼出300A、500A超大复杂计算体系的Core电源。

意味着功率损耗,同时也意味着要解决散热问题。从电路角度来讲,有两方面的损耗——MOS管开关损耗和电池转换效率。因为电路中的电感不是理想电感,MOS管不是理想开关,一定存在损耗,这两部分的损耗是传统电源无法逾越的。而为了减少外围器件的体积,又需要将开关频率提高,但是频率的提升又会导致开关损耗增大,效率更难提升。因而电源转换效率很难做到94%以上。

电感作为一个储能器件,一定有转换的效率问题,有DCR,为了推动电感,又需要MOS管的推动能力比较强。针对这样的问题,ADI电源部门大胆提出设想——将电感从电源电路中去掉。

在ADI近期发布的LTC7820开关电源中去除了电感,如图3所示。

图3 LTC7820开关电源

LTC7820开关电源,用电容代替电感做储能元件,也就是过去电容泵的概念,但是过去的电容泵效率做不高,只有小电流的应用场景才能用,而ADI通过创新的设计和工艺方法设计的LTC7820在2A到20A宽范围输出电流,实现了99%左右的转换效率。

指的是系统的噪声和干扰,例如开电话会议时候,如果放在旁边的手机来电,电话也被干扰发出噪音,这就是EMI造成的。ADI推出的silentSwitcher则是针对此提出的开关电源解决方案。目前的SilentSwitcher2的电源效率高达93%,满足CISPR25 Class 5 EMI的指标,你会看到测试指标远远低于国际指标。

Silent Switcher包含多项技术专利,但是最简单的最通俗易懂的概念就是在电路的设计上,让这个电流环在芯片上是两个反方向的环路,电生磁、磁生电,如果能够环路是反向的,产生的磁场就是反向的,从而能够相互抵消。如图4所示为LTM8014的剖面图,从图中可以看到它的磁场因为反向,从而形成一个闭环的回路,这样磁场对外界的干扰会小很多。

图4 LTM8014剖面图

电源模块四代技术

ADI的电源模块迄今为止经历了四代封装技术,如表1所示。

表1 电源模块的四代封装技术

第一代技术是PCB能够绑定电容、电阻、电感,并做一个塑封封装,这是最常见的电源模块的技术。

第二代技术则是为了解决大功率散热问题,在芯片上加入了一个金属窗口,方便接一个散热片,从而实现在模块内嵌一个金属材料的散热衬底,从而实现快速散热,改善导热常数。

第三代技术考虑到封装尺寸对电感厚度限制,将电感挪到整个模块顶部,整个模块下沉,即CoP(Chipon package)技术。这样的模块设计改善了电源效率,而且有很好的散热特性。

第四代技术基于CoP技术,把磁路、外壳及整个电感集成在一起,即电感本身就是外壳,并用CoP技术把所有的die和外接器件都封装在板下,所以可以采用高性能的电感,并在电源效率和散热效果上达到很好的效果。

梁再信先生自信称,目前业内市场还停留在第一代和第二代封装技术之间,但是我们现在已经能够达到第四代的封装技术。通过四代技术演进,ADI现在的电源模块在满足100A的输出同时可以做到拇指大小,负载调整率在满负载时,波动变化在3%以内,满足最严格FPGA和DSP的电源要求。

加强可靠性及功能应用

综合来讲,ADI电源模块在尺寸、效率和EMI不断提升的同时,也在增加一些特别功能应用。例如,在汽车LED大灯上的应用,它可以自动通过摄像头判断对面是否有车过来,有车过来,会将与来车方向的灯关掉,具体效果图如图5所示,汽车在道路上行驶时,既可以照亮前进的道路,同时也不影响对面车辆的行驶。

图5 应用于汽车LED大灯电源模块实现精准控制

另外,可靠性也很重要。虽然现在可靠性已经能够达到99%,但是从99%到99.999%还是很有必要的。在工业应用和汽车应用领域还是希望要有99.999%的可靠性,以在工业电源领域来讲,99意味着一年会有3.5天的非预测性失效,99.999%则是一年大概有5分钟非预测性失效。梁再信先生表示,ADI有不同的产品做无线传感网络,例如DustNetworks通过切频或者换频、换通道,或者换不同的路径,去实现99.999%的可靠性。同时通过时间同步技术,可以实现超低功耗。



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