電源的“尺寸、效率和EMI”三大問題的解決思路

在消費(fèi)、工業(yè)等產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源部分非常重要，電源如果做不好，系統(tǒng)就不夠穩(wěn)定。Linear作為業(yè)內(nèi)頂尖電源產(chǎn)品公司，在2016年被ADI收購(gòu)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(shì),對(duì)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)帶來了諸多全新產(chǎn)品。

在第七屆EEVIA年度中國(guó)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(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)梁再信先生就電源技術(shù)現(xiàn)存問題及解決思路進(jìn)行了分析和分享。

電源管理的三大問題

ADI在電源方面主要就三個(gè)重要的問題方面進(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(tǒng)中，如果電流比較大，例如為10A，3.3V，1.8V這樣的調(diào)整就很麻煩，你會(huì)遇到很多MOS管帶來的反饋回路，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(shè)計(jì)工程師能夠?qū)Ｗ⒂谧鱿到y(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)，而不需要花時(shí)間調(diào)一個(gè)復(fù)雜的電源系統(tǒng)。

針對(duì)電源模塊小型化趨勢(shì)，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(duì)比

而電源模塊小型化趨勢(shì)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(xiàn)在ADI已經(jīng)發(fā)布的1.82mm的μModule電源產(chǎn)品通過兩種方式進(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，不過優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較容易；第二，貼在電路板背面，從而降低了正面的高度，但是存在的問題是在很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)的電源模塊顯然是不能滿足要求的。

圖2 兩種使電源模塊更薄的設(shè)計(jì)方法

大電流問題是挑戰(zhàn)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，這在過去很難設(shè)計(jì)的，因?yàn)殡娏鲗?shí)在太大了，而且0.8V的core電壓如果波動(dòng)范圍超過3%或5%，可能會(huì)導(dǎo)致FPG死機(jī)。2010年Linear推出的LTM4601需要12片才能實(shí)現(xiàn)100A電流輸出；2012年的LTM4620，每片可以實(shí)現(xiàn)25A電流輸出，4片就能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)100A的電流輸出；2016年發(fā)布的LTM4650，一片能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)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(fù)雜計(jì)算體系的Core電源。

效率

效率意味著功率損耗，同時(shí)也意味著要解決散熱問題。從電路角度來講，有兩方面的損耗——MOS管開關(guān)損耗和電池轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)殡娐分械碾姼胁皇抢硐腚姼?，MOS管不是理想開關(guān)，一定存在損耗，這兩部分的損耗是傳統(tǒng)電源無法逾越的。而為了減少外圍器件的體積，又需要將開關(guān)頻率提高，但是頻率的提升又會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增大，效率更難提升。因而電源轉(zhuǎn)換效率很難做到94%以上。

電感作為一個(gè)儲(chǔ)能器件，一定有轉(zhuǎn)換的效率問題，有DCR，為了推動(dòng)電感，又需要MOS管的推動(dòng)能力比較強(qiáng)。針對(duì)這樣的問題，ADI電源部門大膽提出設(shè)想——將電感從電源電路中去掉。

在ADI近期發(fā)布的LTC7820開關(guān)電源中去除了電感，如圖3所示。

圖3 LTC7820開關(guān)電源

LTC7820開關(guān)電源，用電容代替電感做儲(chǔ)能元件，也就是過去電容泵的概念，但是過去的電容泵效率做不高，只有小電流的應(yīng)用場(chǎng)景才能用，而ADI通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和工藝方法設(shè)計(jì)的LTC7820在2A到20A寬范圍輸出電流，實(shí)現(xiàn)了99%左右的轉(zhuǎn)換效率。

EMI

EMI指的是系統(tǒng)的噪聲和干擾，例如開電話會(huì)議時(shí)候，如果放在旁邊的手機(jī)來電，電話也被干擾發(fā)出噪音，這就是EMI造成的。ADI推出的silentSwitcher則是針對(duì)此提出的開關(guān)電源解決方案。目前的SilentSwitcher2的電源效率高達(dá)93%，滿足CISPR25 Class 5 EMI的指標(biāo)，你會(huì)看到測(cè)試指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際指標(biāo)。

Silent Switcher包含多項(xiàng)技術(shù)專利，但是最簡(jiǎn)單的最通俗易懂的概念就是在電路的設(shè)計(jì)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(zhǎng)TM8014的剖面圖，從圖中可以看到它的磁場(chǎng)因?yàn)榉聪?，從而形成一個(gè)閉環(huán)的回路，這樣磁場(chǎng)對(duì)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(xiàn)在模塊內(nèi)嵌一個(gè)金屬材料的散熱襯底，從而實(shí)現(xiàn)快速散熱，改善導(dǎo)熱常數(shù)。

第三代技術(shù)考慮到封裝尺寸對(duì)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(shè)計(jì)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(dá)到很好的效果。

梁再信先生自信稱，目前業(yè)內(nèi)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(xiàn)在已經(jīng)能夠達(dá)到第四代的封裝技術(shù)。通過四代技術(shù)演進(jìn)，ADI現(xiàn)在的電源模塊在滿足100A的輸出同時(shí)可以做到拇指大小，負(fù)載調(diào)整率在滿負(fù)載時(shí)，波動(dòng)變化在3%以內(nèi)，滿足最嚴(yán)格FPGA和DSP的電源要求。

加強(qiáng)可靠性及功能應(yīng)用

綜合來講，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(yīng)用。例如，在汽車LED大燈上的應(yīng)用，它可以自動(dòng)通過攝像頭判斷對(duì)面是否有車過來，有車過來，會(huì)將與來車方向的燈關(guān)掉，具體效果圖如圖5所示，汽車在道路上行駛時(shí)，既可以照亮前進(jìn)的道路，同時(shí)也不影響對(duì)面車輛的行駛。

圖5 應(yīng)用于汽車LED大燈電源模塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制

另外，可靠性也很重要。雖然現(xiàn)在可靠性已經(jīng)能夠達(dá)到99%，但是從99%到99.999%還是很有必要的。在工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)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)域來講，99意味著一年會(huì)有3.5天的非預(yù)測(cè)性失效，99.999%則是一年大概有5分鐘非預(yù)測(cè)性失效。梁再信先生表示，ADI有不同的產(chǎn)品做無線傳感網(wǎng)絡(luò)，例如DustNetworks通過切頻或者換頻、換通道，或者換不同的路徑，去實(shí)現(xiàn)99.999%的可靠性。同時(shí)通過時(shí)間同步技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)超低功耗。