隨著數位高速IC技術和晶片製造製程技術的高速發展,高性能電源IC的作用顯得愈加重要。根據IC Insights的預測,電源管理IC市場預計將在2018年取得8%以上的成長,從而成為未來五年類比晶片成長的主要推動力之一。

電源轉換效率提升,電源更小更緊湊,透過協議負載實現對電壓電流的控制……這一系列的需求是IC市場上的創新驅動。Power Integrations (PI)市場副總裁Doug Bailey舉例稱,PI基於新型FLUXLINK技術的二次側反饋元件由於高度整合,在一眾競爭產品中脫穎而出的同時,仍然保持了較高的性價比。

「這是一個極佳的例證。」他說,那些看重品質控制、具備追蹤系統以及善於分析RMA的OEM廠商都知道:電源失效往往是客戶退貨的首要原因,所以他們會花費更多的時間尋找更高品質的電源元件,不管是來自國內還是海外。而PI之所以能夠成為高階品牌的代表,是因為「我們既關注性能,同時也關注產品的可靠性」。

整合必勝?

眾所周知,除了摩爾定律以外,半導體產業還有一條定律,就是——「整合必勝」,在一顆IC上將功能組合在一起產生的技術機會,比這些元件全部加在一起帶來的機會更多。為此,PI在單一封裝內整合了包括一次側、二次側和反饋鏈路元件,去掉了大量的離散式及被動元件。如今市場面臨MOSFET、MLCC及其他元件短缺的問題,但是如果使用這樣的產品,則無需尋找價格極易波動的元件,從而可以極大地節省支出。另外,由於PI在中國已擁有並正擴大元件封裝生產線,因此能夠充份滿足市場的銷售需求與獲益。

PI的產品主要針對與主電源相關的應用。Bailey表示,他們發現手機充電器這一方向的良好成長,尤其是採用快充協議或USB-PD的手機充電器。同時,也看到了在HBA應用中的成長,提升了市場對了PI「無需零線」智慧開關電源和低待機功率的智慧LYTSwitch-6產品的需求。它們往往要求效率提升(尤其是在輕載條件下)以及更偏向體積緊湊,這些需求也正在驅動市場進步。

「散熱片作為一個元件,它唯一的功能是將能量轉換到環境中去。但我們認為使用散熱片是一個『設計缺陷』,因為這意味著開發人員已經設計了一個要浪費珍稀自然資源的電源。」Bailey認為,設計者有責任確保進入電源內的電能也能透過轉換的形式再次出來,而不是作為熱量被耗散掉。因此,提升效率並去掉散熱片不但是發展趨勢,也是驅動PI關注高效產品設計的根本原因。

「三個維度」護航工業4.0

IHS Markit研究顯示,2017年全球工業半導體產值為491億美元,年成長率達11.8%。該機構預估,至2022年,工業半導體市場仍將持續成長,年複合成長率(CAGR)達7.1%,而ADI電源業務營收的40%+恰好來自於工業領域。

ADI電源產品中國區市場總監梁再信表示,工業4.0真正的本質和基礎,是如何提供即時控制、軟體可配製的I/O,以及所有這些設備的可靠性、安全性和穩健運行。隨著未來工業4.0設備和裝置的智慧化程度越來越高,靈活性、效率、通訊、安全性和可靠性正成為非常關鍵的性能指標,因此,ADI著重在高功效、小體積、低電磁干擾(EMI)這三個維度上提供強大支持和創新產品。

怎樣減少系統的雜訊和干擾,EMI是關鍵,而大部份的EMI問題源於電源干擾。梁再信列舉了採用Silent Switcher技術的最新一代LT8614晶片。它不僅透過兩個反向的電流環路最佳化磁場閉合路徑,同時透過系統迴路最佳化將上升沿的振鈴控制得非常小,再加上其高度最佳化的封裝製程,其EMI相當低。除此之外,它還極大降低了紋波,解決了雜訊問題,將系統的可靠性、穩定性都能做得極為出色。

「在機器人、工業控制、汽車領域,大部份客戶對於Silent Switcher技術都非常感興趣。因為在過去,他們光是要解決EMI的認證問題就需要半年以上的時間,Silent Switcher技術的出現,極大加速了客戶的產品上市時間。」梁再信說。目前,ADI Silent Switcher2產品效率可達93%,滿足CISPR25 Class 5 EMI的指標,以該系列產品中的LT8609為例,即使僅僅使用簡單的2層板,也同樣能夠實現很低的EMI表現。

要想做出高整合度的電源產品,電路板小尺寸、薄型化等是關鍵方向。「做好電源模組,讓產品設計工程師專注於做系統級設計,而不用花時間去調一個複雜的電源系統。」梁再信表示這是電源模組的關鍵點。他給出了某個系統IO和核心供電系統的示例,成功節省了30到100個的元件數量,而且整個系統的可靠性也會得到提升。

駕馭安全汽車未來

無論對於電源管理、動力傳動還是資訊娛樂系統、車燈照明等等,在汽車電源產品領域的變遷過程中,「安全」始終是一個關鍵詞,而在ADI提供的創新解決方案中,這一點可能反映為超低雜訊(電磁干擾)、電池主動均衡和能量最佳化(安全駕駛更長距離)、高低壓雙向轉換、新的突波和高壓保護機制等等創新技術特性。

例如,針對汽車系統中越來越多的48V和12V電壓共存問題,如何把一個48V電池組和12V電池組連接起來,實現雙向供電,並對48V和12V系統進行管理,從而確保整個汽車系統的安全運行,就是LTC3871的設計思路。

梁再信解釋說,48V系統的出現,是為了最佳化電纜和車身佈線,但目前很多系統裝備依然在短期內沒法向48V系統遷移。因此相當一段時間內,會出現48V和12V系統共存的局面。而LTC3871能夠提供非常好的穩定性和雙向電壓轉換功能,已經成為新一代48V車載系統的標準配置。

從汽車系統的安全性和可靠性來講,汽車還會因為電瓶和越來越複雜的系統而在啟動時或受到意外干擾時出現瞬間高壓情況,而這很可能導致元件的壞損。傳統的解決方案是增加PVS管,但存在體積偏大等缺點。ADI的做法是採用Surge Stopper,透過反饋和MOSFET控制把瞬間脈衝的干擾電源尖峰部份全部消掉,確保輸出電壓在設定的標準範圍之內,車身系統會更加安全。再結合可控的電源製程,車身系統就不會因為意外的干擾造成組件損壞。

5G通訊的電源設計挑戰

5G通訊系統不但需要非常高的功率密度,晶片功耗和如何提高轉換效率也是亟待解決的問題。在梁再信看來,傳統的DC/DC電源,由於MOSFET開關損耗和電感轉換損耗的存在,效率無法在當前架構下取得突破性進展,ADI為此轉換了設計思路,研發了沒有電感的轉換器LTC7820 ,從而一舉將效率提升到99%以上。在此基礎上,ADI又開發了結合無電感高效變換器和高性能降壓電路優點的混合型開關電源,可確保在輸出電壓隨意調整的同時,依然將效率保持在97%以上。

針對通訊應用的電源技術創新,ADI還做了很多其它的改進:比如結合理想二極管的優點支援熱插拔,能夠讓通訊系統獲得比以前更好的穩定性;透過帶數位介面的電源管理系統可以記錄每一路的電源狀態、電壓、電流、溫度等,甚至可以控制輸出的電壓。尤其當系統不穩定時,可以透過帶數位介面的電源管理系統(PSM)得知電路故障所在。因此,PSM的測量和輸出的調整功能在通訊領域越來越受到重用。

除了PSM,由於可以透過網線傳輸數據和電源,POE(Power over Ethernet)在通訊領域的應用也受到了廣泛的重視。隨著5G基地台容量越大,需要的功率也就越大,只有25.5瓦的國際標準顯然越來越難以應對。為此,ADI率先推出了150瓦POE解決方案,成為通訊領域強有力的技術平台。

推動清潔可靠的能源系統進展

能源是關係國計民生的重要話題。無論對於智慧電網、可再生能源的產生和儲存、企業能源管理、電動車充電樁基礎設施等,能否提供良好的配套電源技術方案,成為衡量一家企業技術實力的標準之一。

在電力供應中,為了確保系統不斷電,ADI提出用超級電容做備份電源,並為它提供完備的能量儲存和管理方案。比如LTC3350,它可對四個法拉電容做監控,不僅能夠對電容做平衡和充/放電管理,同時還補充電容的內阻,以及自動對所有電容做能量均衡,功能十分強大。針對國家電網傳輸塔上的FCI監控裝置,ADI的做法是透過互感器或太陽能供電,再通過高性能MPPT最大功率點追蹤及充電管理元件的應用,使得電池可以在同樣光照情況下獲得最大的太陽能能量。

此外,ADI也在IoT方向實現了很多重大突破。比如將振動、溫差、光、磁場等變成需要的能量採集產品LTC3108/LTC3588;透過光學和動作檢測、阻抗、生物電位和訊號調節技術提高可穿戴生命體徵監護(VSM)水平;透過精確的地理位置檢測、智慧數據採集和感測器融合技術實現即時自主決策、更高的資源效率、更簡便的互連農場生態系統連接的智慧農場等。