從ADI電源產品技術創新看行業要求和設計痛點

ADI和Linear公司在去年3月正式完成合并后，市場集中度很高，80%的市場集中在工業、通信和汽車領域。這次合并，使得ADI的器件由2萬個增加到4.3萬個，其中電源超過1萬個，有18個大的產品系列，大部分是Linear的產品，基于Linear在電源領域的深厚積累和優勢，ADI電源產品線的子品牌就叫Power by Linear。由此，ADI的電源產品占有率躍居至全球第二。

日前，電子發燒友應邀參加了ADI公司的一場Workshop，資深電源技術專家ADI公司電源系統工程總監梁再信先生分享了該公司最新的產品和技術。從這些產品和技術中，我們可以看到行業應用對電源產品的要求以及設計痛點。
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圖：資深電源技術專家ADI公司電源系統工程總監梁再信

梁再信表示，自動駕駛、汽車電子、工業4.0、下一代通信和沉浸式消費體驗這些領域都是ADI重點關注的市場。雖然Power by Linear的器件超過1萬種，但其產品設計的思路始終圍繞三個重點：一是怎樣減少芯片的尺寸和體積的同時提供很好的性能？二是如何提高效率？三是關系到系統的穩定性和可靠性的EMI優化。

工業應用

在工業領域，中國今明兩年在半導體相關的設備投入增長幅度非常大，從全球來看，規模增長最大的是中國，韓國有點微跌，***持平，美國也是持平。

圖：全球區域半導體設備支出情況統計

除了信號鏈產品，ADI正在把中國的半導體生產、測試、封裝設備作為電源產品的重要增長支點?！斑@些設備中空間都非常緊湊，所以我們的電源模塊有非常多的機會?！?梁再信說，“我們的Power Module經過十年發展，已經有非常完整的產品序列，對半導體設備制造商都可以有很好的技術和產品支持，協助他們完成非常挑戰的設計，用小體積、高效率的產品、在很小的空間里支持更多的器件?！?/p>

圖：ADI在半導體設備中的電源產品線

Silent Switcher是ADI具有代表性的解決工業應用中EMI和干擾痛點的器件架構技術。其創新突破是，普通的電源是單個電流回路，Silent Switcher則是兩個反向電流環，大大降低了EMI水平，不用特別優化就可以滿足標準。以LT8609S為例，多數EMI問題需要用四層板、六層板加屏蔽、隔離等方法才能實現，LT8609S用兩層板做一個標準設計就可以滿足工業級EMI標準，而且還有一些余量。

圖：ADI的Silent Switcher架構技術

汽車電子

ADI在安全氣囊領域有超過25年的歷史，也是自動化和自動駕駛領域的重要器件供應商。激光雷達、微波雷達、車身測量系統、慣導和陀螺儀等都是Power by Linear產品的應用方向。

在自動駕駛應用中，降噪是一個關鍵。ADI在2016年推出的業界最低噪聲的LT3045，其噪聲低至0.8μV，比傳統鋰電池2.7μV的噪聲還少，而1M以下PSRR值達到78個dB以上，給Lidar、Radar供電的時候可以顯著提升性能，由于降低了雷達系統的噪聲，整車和乘客的安全性得到了提升。

另外一個關鍵點在于降低EMI干擾。前面提到的Silent Switcher技術，由于極大降低了EMI干擾，使得車身系統更穩定，這對于高度集成電子器件的車身而言十分有益。此外，針對汽車以太網的PoDL, 即Power Over Data Line技術，使得數據線同時具備供電能力，因此節省了大量的電纜施工和重量，提高了可靠性，同時也降低了施工的難度，并且節省了整車成本。

在自動駕駛應用中，汽車照明安全技術始終是一個重要課題。奧迪A8的LED矩陣大燈，由非常多的LED單元構成，兩車會車時可以利用車身攝像頭判斷對車位置，系統自動關閉來車那側的一部分燈，讓會車更安全。這個技術就是Power by Linear提供的。

圖：奧迪A8所采用的ADI汽車照明安全技術

續航里程一直是電動汽車的痛點，電池管理系統BMS是其中優化的關鍵，ADI的相關產品（LTC680X系列）一度占據中國80%以上的市場份額。

在混合動力汽車領域，如何解決大功率48伏系統和12伏系統之間的平衡和轉換是一個重要課題。因為48伏系統的瞬間功率會高達十幾千瓦，對安全性和可靠性是很大的挑戰。LTC3871就是ADI一款針對這一痛點的應用方案。該器件具有雙向兩相同步降壓或升壓特性，當起動汽車或需要額外功率時，LTC3871允許兩個電池同時為同一個負載供能，最高可實現97%的效率；在48伏發電時，可以降壓給12伏系統充電；如果有需要，12V還可給48V補電。

圖：LTC3871解決48伏系統痛點

在傳統燃油汽車系統中，發電轉換損耗是一個問題。把發電變成直流電給蓄電池供電通常會用到傳統二極管當整流橋，由于傳統二極管存在壓差，電流越大壓差也越大，約達到0.4伏到0.7伏，功率損耗很大。針對這個痛點，ADI研發了理想二極管橋堆，用MOS管代替二極管。由于MOS管的阻抗比較低，可以提高效率，降低功率損耗，橋堆不需要散熱器，可靠性也提高了。

在汽車電子系統中，啟動瞬間高壓對安全性和可靠性來講也一直是非常大的挑戰，因為汽車的電瓶和整個系統越來越復雜，過去的汽車電子大部分是在12伏系統下工作的，在惡劣的條件下，有可能瞬間達到70伏，可能把組件打壞。過去最常見的解決方法是加PVS管，但是3000瓦、6000瓦的PVS管體積比較大，比較難固定，穩定性和可靠性欠佳。ADI的Surge Stopper技術，把瞬間脈沖的干擾電源尖的部分全部消除，將其控制在設定的標準范圍之內，這樣車身系統就能避免因為意外的干擾損壞汽車上的組件，進而提高安全性。

通信應用

對于華為、思科、愛立信、中興這些通信系統設備供應商而言，5G帶來的挑戰非常大。小型化、高帶寬、高功率，這些對基站設備在能源密度、效能和可靠性方面都提出了迫切的要求。

對于無線基站模塊而言，小型化和高集成度對于供電、散熱、效率和可靠性性能要求很高。所以在POE方案設計中，不僅要實現通過網線給電源供電，同時要考慮如何提升功率密度。以FPGA的0.8V內核電壓、100A的輸出電流為例，ADI電源模塊在2010年需要12片LTM4601才能做到100A，經過3次迭代，到最新的LTM4700只要1片就能做到100A！

基于封裝工藝的迭代，LTM4700內置了散熱器，將電感從模塊中移至模塊上幫助散熱，電感可以非常有效的把熱從空氣中帶走，其散熱性能勝過離散的方案。

圖：LTM4700只有拇指大小，厚度約和鉛筆一樣

與無線不同，有線設備需要熱插拔、高轉換效率以及電源管理PSM的應用。此外，由于局端設備的溫度非常高，效率優化十分重要。傳統的電源，效率到93%、94%，就很難再提升了。在通信背板上，48V往下轉時，往往轉換效率不高，這個痛點如何解決？

ADI的方法是優化電感損耗的問題。LTC7820是一款固定比例高電壓高功率開關電容器，用CFLY（飛電容） 取代過去損耗比較大的電感，2.8×2.8厘米6毫米厚的模塊，從48V到24V，可以推約500W功率，效率在99%左右。這個器件體現了一個創新思路：即通過非常高效的電路，把48伏轉成24伏，剩下的板級系統再往下轉，既簡化了設計，又解決了傳統電路的瓶頸。

圖：LTC7820用CFLY取代電感提高轉換效率

光通信市場在中國的快速增長推動著光模塊的發展。體積是光模塊設計最大的挑戰。如ADI的LTM4622和LTM4624是6.25mm×6.25mm×1.8mm的電源模塊，已經得到廣泛應用。

梁再信表示，總的來看，通信電源模塊對產品設計的要求主要是三個方向：一是大功率，如100A的輸出電流，ADI已在研發下一代；二是小體積，ADI已在研發4mm×4mm的產品；三是做薄，比如1.8mm、1.5mm甚至更薄，在這么薄的空間里還要集成MOS管、電感等器件，這是很大的挑戰。用多層基板做模塊是ADI獨有的方法，這個方法解決了小體積器件高密度布線、散熱、多元器件封裝的難題。