面向新基建，ADI提供三大類(lèi)電力電源方案

作為全球高性能電源解決方案領(lǐng)先提供商，ADI 提供了門(mén)類(lèi)寬泛的電源轉換和管理 IC 產(chǎn)品庫，涵蓋5G、數據中心、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)充電樁、特高壓等所有的新基建領(lǐng)域。

這里我們從三個(gè)方面進(jìn)行分享。

ADI公司 電源系統工程總監 梁再信

一、完整的系統級封裝電源管理解決方案

以數據中心為例，新基建中多種應用對供電系統都提出了苛刻的要求。今天，數據中心被認為是能源消耗最嚴重的新基建基礎設施之一，減少數據中心的能耗、提高能效對于建設低碳環(huán)保綠色社會(huì )至關(guān)重要。如何提高數據中心能效還便于優(yōu)化熱學(xué)設計，降低供電系統尺寸和成本。

此外，穩定可靠電源供應能力是新基建數據中心建設中的一大痛點(diǎn)，特別是在狹小空間內實(shí)現各類(lèi)處理器，像ASIC、CPU、FPGA低至0.6-0.8伏的核心電壓與50-800安培超高電流高穩定性供電系統設計的極具挑戰性，需要頂級的電源的高可靠性和高效的DCDC轉換解決方案來(lái)實(shí)現。

ADI的μModule^? (微型模塊) 產(chǎn)品是完整的系統級封裝 (SiP) 解決方案，可最大限度縮短設計時(shí)間，并解決工業(yè)和醫療系統中常見(jiàn)的電路板空間和安裝密度問(wèn)題。這些 μModule 產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，其在緊湊的表面貼裝型 BGA 或 LGA 封裝中內置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償組件和電感器。在設計中采用 ADI 的 μModule 產(chǎn)品，最多能使完成設計過(guò)程所需的時(shí)間銳減 50%（取決于設計的復雜程度）。μModule 系列將組件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔從設計師轉移到了器件身上，從而縮短了總體設計時(shí)間和系統故障排除過(guò)程，并最終加快了產(chǎn)品上市速度。

μModule 產(chǎn)品系列廣泛適合于眾多的應用，包括負載點(diǎn)穩壓器、電池充電器、LED 驅動(dòng)器、電源系統管理 (PMBus 數字控制式電源) 和隔離式轉換器。μModule 電源產(chǎn)品是高度集成的解決方案，可為每款器件提供 PCB 光繪 (Gerber) 文件，因而能在滿(mǎn)足時(shí)間和空間限制條件的同時(shí)提供一種高效、可靠的解決方案，某些產(chǎn)品還可符合 EN55022 Class B 標準以達到低 EMI 要求。

以μModule 產(chǎn)品系列中的LTM4700 降壓型 DC/DC 電源穩壓器為例：LTM4700兼具同類(lèi)產(chǎn)品最高功率和用以降低數據中心基礎設施冷卻要求的高能效，使得數據中心運營(yíng)商能夠提高其服務(wù)器的密度和性能；可提供雙路 50A 或單路 100A 配置，采用的創(chuàng )新封裝技術(shù)實(shí)現了在服務(wù)器密度增加以及數據中心吞吐量和計算能力提升下，對系統尺寸和冷卻成本的影響微乎其微；LTM4700 在 4.5V 至 16V 的輸入范圍內工作，其輸出電壓在 0.5V 至 1.8V 的范圍內進(jìn)行數字控制；集成式 A/D 轉換器、D/A 轉換器和 EEPROM 使得用戶(hù)能夠采用一個(gè) I2C PMBus 接口對電源參數進(jìn)行數字監視、記錄和控制；開(kāi)關(guān)頻率同步至一個(gè)頻率范圍為 200kHz 至 1MHz 的外部時(shí)鐘，以滿(mǎn)足那些對噪聲敏感的應用；等等。LTM4700 還擁有針對過(guò)壓和欠壓、過(guò)流和過(guò)溫等故障情況的自保護和負載保護功能。

值得一提的是，μModule電源模塊解決方案不僅適合當前新基建的數字中心建設，還同樣適合汽車(chē)、工業(yè)在內的廣泛系統。

二、低EMI特性的通用電源DC/DC轉換器

包括各種新基建相關(guān)的產(chǎn)品在內，開(kāi)關(guān)電源獲得各種電子系統廣泛的應用，在滿(mǎn)足系統的高效率、低功耗、小尺寸的同時(shí)，這些系統還需要具備能通過(guò)諸如CISPR 32和CISPR 25在內的各種抗噪標準的電子輻射要求。

然而，電源被電源設計中空間尺寸、設計時(shí)間、效率、EMI行為或瞬態(tài)行為等設計參數的平衡極具挑戰性，因為優(yōu)化一個(gè)參數意味著(zhù)犧牲一個(gè)或多個(gè)其他性能。業(yè)界一直在尋求一種辦法，通過(guò)在集成單片DC/DC轉換器中實(shí)現了一些通用的改進(jìn)和巧妙的設計理念，使電源設計人員能夠再不犧牲效率、EMI特性或瞬態(tài)性能的情況下實(shí)現最佳的設計時(shí)間和設計空間。而Silent Switcher就是這樣的轉換器改進(jìn)和巧妙設計理念的應用，它是ADI從工程物理的角度實(shí)現的突破和創(chuàng )新，它在芯片設計上做了兩個(gè)反向的電優(yōu)化，產(chǎn)生閉合的磁力線(xiàn)，減小對外界EMI的干擾，幾乎消除了不可預測且難以濾波的高頻噪聲。同時(shí)，利用倒裝的方式替代傳統的用金線(xiàn)去綁定內核的方式，從而縮減電流，讓EMI降到最低。通過(guò)Silent Switcher技術(shù)，可以輕松滿(mǎn)足CISPR25 EMI標準，而無(wú)需做太多優(yōu)化。第二代Silent Switcher 增加了內部旁路電容器和集成度，進(jìn)一步改善了對PCB布局不敏感的EMI，簡(jiǎn)化了設計，即使使用雙層PC板也能降低性能風(fēng)險。

Silent Switcher技術(shù)有效地實(shí)現了以下電源設計的關(guān)鍵特性，從而其功能和優(yōu)勢將使開(kāi)關(guān)模式電源設計更容易滿(mǎn)足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標準要求：

●  能夠在大于2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行高效轉換，并且對轉換效率的影響最小。

●  內部旁路電容減少EMI輻射并提供更緊湊的解決方案占板空間。

●  采用Silent Switcher 2技術(shù)基本上消除了PCB布局的敏感性。

●  可選展頻調制有助于降低噪聲敏感度。

●  使用Silent Switcher器件既可節省PCB面積，又可減少所需的層數。

Silent Switcher適合廣泛的新基建電源系統設計，包括數據中心、5G通信系統中涉及到的光網(wǎng)絡(luò )、電信/數據通信，以及汽車(chē)系統、分布式電源架構和一般的中高功率密度系統。

三、充電樁中的高性能隔離式柵極驅動(dòng)器

半導體技術(shù)的進(jìn)步讓功率器件開(kāi)關(guān)頻率得到快速有效提升，IGBT從過(guò)去的20k左右提升到現在40k到50k，而氮化鎵（GaN）和碳化硅（SIC）MOSFET器件可以達到更高的開(kāi)關(guān)頻率。然而，驅動(dòng)方式是達到這些開(kāi)關(guān)器件所需開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開(kāi)關(guān)頻率決定著(zhù)系統設計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開(kāi)關(guān)頻率對柵極驅動(dòng)器的要求越來(lái)越高，采用的柵極驅動(dòng)器的傳輸延遲、死區時(shí)間、共模瞬變抗擾度(CMTI)等指標對提升充電樁功率和效率產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。

為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極，使用專(zhuān)門(mén)驅動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動(dòng)電流。隔離式柵極驅動(dòng)器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標將決定直流模塊的整體功率、效率和系統尺寸，正確選擇這類(lèi)解決方案非常關(guān)鍵。與傳統的基于光學(xué)隔離式柵極驅動(dòng)器相比，ADI提供的iCoupler隔離式柵極驅動(dòng)器提供了良好的柵極驅動(dòng)特性和隔離性能。

傳統光耦合隔離的方式傳輸延時(shí)時(shí)間長(cháng)（例如150—200納秒），而iCoupler柵極驅動(dòng)器傳輸延時(shí)在50—60個(gè)納秒左右，從而大降低減小了傳輸延遲，并且傳輸延時(shí)一致性更好，更低的傳輸延遲和延時(shí)一致性有助于提高開(kāi)關(guān)頻率和效率。此外，隔離柵極驅動(dòng)器的死區時(shí)間也是關(guān)鍵特性之一，更低的死區時(shí)間將有效降低損耗。對于大規模部署的充電樁來(lái)說(shuō)，即使零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)效率提升都具有很大經(jīng)濟和社會(huì )效益。

以ADI最新的iCoupler柵極驅動(dòng)器ADuM4136為例：ADuM4136可實(shí)現150 kV/μs的共模瞬變抗擾度(CMTI)，以數百kHz的開(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)SiC MOSFET；加上去飽和保護等快速故障管理功能，設計人員可以正確驅動(dòng)高達1200 V的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET。iCoupler磁隔離的固有優(yōu)勢使得這些特性明顯優(yōu)于光隔離柵極驅動(dòng)器，可以確保充電機在不犧牲效率的情況下，在功率變換器中實(shí)現超高的功率密度。

此外，從功能安全和用戶(hù)人生和財產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)，良好的隔離性能也非常關(guān)鍵。充電樁的充電機功能電路中的隔離式柵極驅動(dòng)器發(fā)揮的隔離功能就非常關(guān)鍵，實(shí)現充電模塊中功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑，從而提升安全性能。