電源的“尺寸、效率和EMI”三大問(wèn)題的解決思路

在消費、工業(yè)等產(chǎn)品及系統設計中，電源部分非常重要，電源如果做不好，系統就不夠穩定。Linear作為業(yè)內頂尖電源產(chǎn)品公司，在2016年被ADI收購后，全新的ADI子品牌Powerby Linear也由此誕生。新品牌整合Linear和ADI電源產(chǎn)品優(yōu)勢,對電源產(chǎn)品的新的研究和理解使得其在近兩年也為行業(yè)帶來(lái)了諸多全新產(chǎn)品。

在第七屆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(huì )上，ADI電源產(chǎn)品中國區市場(chǎng)總監梁再信先生就電源技術(shù)現存問(wèn)題及解決思路進(jìn)行了分析和分享。

電源管理的三大問(wèn)題

ADI在電源方面主要就三個(gè)重要的問(wèn)題方面進(jìn)行創(chuàng )新：尺寸、效率和EMI，如圖1所示。

圖1 Powerby Linear致力于解決的三大電源難題

小型化

在電源模塊小型化方面,ADI做了三方面的嘗試,包括超小體積、超薄和超大電流。

  在尺寸方面，要縮小電路板尺寸就要提高集成度。在一個(gè)供電系統中，如果電流比較大，例如為10A，3.3V，1.8V這樣的調整就很麻煩，你會(huì )遇到很多MOS管帶來(lái)的反饋回路，光做這個(gè)就要花很多時(shí)間，這就需要有一個(gè)電源模塊，這樣的集成讓我們的產(chǎn)品設計工程師能夠專(zhuān)注于做系統級的設計，而不需要花時(shí)間調一個(gè)復雜的電源系統。

針對電源模塊小型化趨勢，以15A的buck電路為例，四年前的LTM4627電源模塊封裝尺寸為15mm×15mm×4.92mm，而在2018年5月-6月將會(huì )發(fā)布的LTM4638尺寸則會(huì )縮小為6.25mm×6.25mm×5.02mm，體積縮小了很多，功率密度也有很大的提升，如圖2所示。

圖2 LTM4627與LTM4638封裝尺寸對比

而電源模塊小型化趨勢的另一個(gè)要求是“薄”。電源模塊中集成有電感，而電感比較高，這會(huì )影響到電源模塊的厚度。而現在A(yíng)DI已經(jīng)發(fā)布的1.82mm的μModule電源產(chǎn)品通過(guò)兩種方式進(jìn)一步降低了電源模塊的厚度。第一，與主芯片共用散熱器，從而不用再另外增加模塊厚度，這樣雖然電源還是會(huì )發(fā)熱，不過(guò)優(yōu)點(diǎn)是系統設計比較容易；第二，貼在電路板背面，從而降低了正面的高度，但是存在的問(wèn)題是在很多系統設計中，背板的高度是有限制的，可能只允許放08、05、03厚度的電容，傳統的電源模塊顯然是不能滿(mǎn)足要求的。

圖2 兩種使電源模塊更薄的設計方法

大電流問(wèn)題是挑戰工程極限的做一個(gè)非常重要的探索。FPGA需要一個(gè)0.8V/100A的Core電壓，這在過(guò)去很難設計的，因為電流實(shí)在太大了，而且0.8V的core電壓如果波動(dòng)范圍超過(guò)3%或5%，可能會(huì )導致FPG死機。2010年Linear推出的LTM4601需要12片才能實(shí)現100A電流輸出；2012年的LTM4620，每片可以實(shí)現25A電流輸出，4片就能實(shí)現100A的電流輸出；2014年推出的LTM4630，每片有35A的輸出電流，3片就可以實(shí)現100A的電流輸出；2016年發(fā)布的LTM4650，一片能夠實(shí)現50A電流輸出，兩片就可以做到100A；而2018年7月將發(fā)布的全新LTM4700，一片就可以實(shí)現100A電流輸出，同時(shí)，尺寸也做得很小，用這個(gè)模塊很容易拼出300A、500A超大復雜計算體系的Core電源。

效率

效率意味著(zhù)功率損耗，同時(shí)也意味著(zhù)要解決散熱問(wèn)題。從電路角度來(lái)講，有兩方面的損耗——MOS管開(kāi)關(guān)損耗和電池轉換效率。因為電路中的電感不是理想電感，MOS管不是理想開(kāi)關(guān)，一定存在損耗，這兩部分的損耗是傳統電源無(wú)法逾越的。而為了減少外圍器件的體積，又需要將開(kāi)關(guān)頻率提高，但是頻率的提升又會(huì )導致開(kāi)關(guān)損耗增大，效率更難提升。因而電源轉換效率很難做到94%以上。

電感作為一個(gè)儲能器件，一定有轉換的效率問(wèn)題，有DCR，為了推動(dòng)電感，又需要MOS管的推動(dòng)能力比較強。針對這樣的問(wèn)題，ADI電源部門(mén)大膽提出設想——將電感從電源電路中去掉。

在A(yíng)DI近期發(fā)布的LTC7820開(kāi)關(guān)電源中去除了電感，如圖3所示。

圖3 LTC7820開(kāi)關(guān)電源

LTC7820開(kāi)關(guān)電源，用電容代替電感做儲能元件，也就是過(guò)去電容泵的概念，但是過(guò)去的電容泵效率做不高，只有小電流的應用場(chǎng)景才能用，而ADI通過(guò)創(chuàng )新的設計和工藝方法設計的LTC7820在2A到20A寬范圍輸出電流，實(shí)現了99%左右的轉換效率。

EMI

EMI指的是系統的噪聲和干擾，例如開(kāi)電話(huà)會(huì )議時(shí)候，如果放在旁邊的手機來(lái)電，電話(huà)也被干擾發(fā)出噪音，這就是EMI造成的。ADI推出的silentSwitcher則是針對此提出的開(kāi)關(guān)電源解決方案。目前的SilentSwitcher2的電源效率高達93%，滿(mǎn)足CISPR25 Class 5 EMI的指標，你會(huì )看到測試指標遠遠低于國際指標。

Silent Switcher包含多項技術(shù)專(zhuān)利，但是最簡(jiǎn)單的最通俗易懂的概念就是在電路的設計上，讓這個(gè)電流環(huán)在芯片上是兩個(gè)反方向的環(huán)路，電生磁、磁生電，如果能夠環(huán)路是反向的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是反向的，從而能夠相互抵消。如圖4所示為L(cháng)TM8014的剖面圖，從圖中可以看到它的磁場(chǎng)因為反向，從而形成一個(gè)閉環(huán)的回路，這樣磁場(chǎng)對外界的干擾會(huì )小很多。

圖4 LTM8014剖面圖

電源模塊四代封裝技術(shù)

ADI的電源模塊迄今為止經(jīng)歷了四代封裝技術(shù)，如表1所示。

表1 電源模塊的四代封裝技術(shù)

第一代技術(shù)是PCB能夠綁定電容、電阻、電感，并做一個(gè)塑封封裝，這是最常見(jiàn)的電源模塊的技術(shù)。

第二代技術(shù)則是為了解決大功率散熱問(wèn)題，在芯片上加入了一個(gè)金屬窗口，方便接一個(gè)散熱片，從而實(shí)現在模塊內嵌一個(gè)金屬材料的散熱襯底，從而實(shí)現快速散熱，改善導熱常數。

第三代技術(shù)考慮到封裝尺寸對電感厚度限制，將電感挪到整個(gè)模塊頂部，整個(gè)模塊下沉，即CoP（Chipon package）技術(shù)。這樣的模塊設計改善了電源效率，而且有很好的散熱特性。

第四代技術(shù)基于CoP技術(shù)，把磁路、外殼及整個(gè)電感集成在一起，即電感本身就是外殼，并用CoP技術(shù)把所有的die和外接器件都封裝在板下，所以可以采用高性能的電感，并在電源效率和散熱效果上達到很好的效果。

梁再信先生自信稱(chēng)，目前業(yè)內市場(chǎng)還停留在第一代和第二代封裝技術(shù)之間，但是我們現在已經(jīng)能夠達到第四代的封裝技術(shù)。通過(guò)四代技術(shù)演進(jìn)，ADI現在的電源模塊在滿(mǎn)足100A的輸出同時(shí)可以做到拇指大小，負載調整率在滿(mǎn)負載時(shí)，波動(dòng)變化在3%以?xún)?，滿(mǎn)足最嚴格FPGA和DSP的電源要求。

加強可靠性及功能應用

綜合來(lái)講，ADI電源模塊在尺寸、效率和EMI不斷提升的同時(shí)，也在增加一些特別功能應用。例如，在汽車(chē)LED大燈上的應用，它可以自動(dòng)通過(guò)攝像頭判斷對面是否有車(chē)過(guò)來(lái)，有車(chē)過(guò)來(lái)，會(huì )將與來(lái)車(chē)方向的燈關(guān)掉，具體效果圖如圖5所示，汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，既可以照亮前進(jìn)的道路，同時(shí)也不影響對面車(chē)輛的行駛。

圖5 應用于汽車(chē)LED大燈電源模塊實(shí)現精準控制

另外，可靠性也很重要。雖然現在可靠性已經(jīng)能夠達到99%，但是從99%到99.999%還是很有必要的。在工業(yè)應用和汽車(chē)應用領(lǐng)域還是希望要有99.999%的可靠性，以在工業(yè)電源領(lǐng)域來(lái)講，99意味著(zhù)一年會(huì )有3.5天的非預測性失效，99.999%則是一年大概有5分鐘非預測性失效。梁再信先生表示，ADI有不同的產(chǎn)品做無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，例如DustNetworks通過(guò)切頻或者換頻、換通道，或者換不同的路徑，去實(shí)現99.999%的可靠性。同時(shí)通過(guò)時(shí)間同步技術(shù)，可以實(shí)現超低功耗。