【導讀】電氣化社會(huì )下電源無(wú)處不在，不同種類(lèi)的電源技術(shù)在最初的發(fā)電側到終端芯片都扮演著(zhù)重要的角色，一款高度集成的電子產(chǎn)品中電源系統的設計甚至占到了總設計量的50%，導致能耗、效率、輻射和尺寸等等與電源相關(guān)的各種問(wèn)題也成為了各種系統設計中繞不開(kāi)的挑戰。例如美國一家數據中心曾面臨停電危機，究其原因是ChatGPT等AI大模型訓練量的增加導致現有的數據中心無(wú)法負載日益暴漲的電力需求，正如業(yè)界所講“算力的瓶頸是電力”。
電氣化社會(huì )下電源無(wú)處不在，不同種類(lèi)的電源技術(shù)在最初的發(fā)電側到終端芯片都扮演著(zhù)重要的角色，一款高度集成的電子產(chǎn)品中電源系統的設計甚至占到了總設計量的50%，導致能耗、效率、輻射和尺寸等等與電源相關(guān)的各種問(wèn)題也成為了各種系統設計中繞不開(kāi)的挑戰。例如美國一家數據中心曾面臨停電危機，究其原因是ChatGPT等AI大模型訓練量的增加導致現有的數據中心無(wú)法負載日益暴漲的電力需求，正如業(yè)界所講“算力的瓶頸是電力”。
面對數智化不斷深入，行業(yè)應用日趨廣泛多元、環(huán)境更加極端化，能源相關(guān)的問(wèn)題迫在眉睫，而電源技術(shù)作為破局關(guān)鍵將以什么樣的高要求與高標準進(jìn)行突破？對此，長(cháng)期耕耘在產(chǎn)業(yè)一線(xiàn)的ADI亞太區電源市場(chǎng)經(jīng)理黃慶義先生分享了自己的見(jiàn)解并深度剖析了目前泛在的高性能電源技術(shù)發(fā)展走向。
既要又要還要，Silent Switcher為電源產(chǎn)品提供標準范式
如何設計一款好的電源產(chǎn)品？“首先，電源作為IC器件，先進(jìn)的半導體工藝是前提，優(yōu)秀的電路設計水平是保障。其次，從IC到模塊再到最終交付給客戶(hù)的系統，封裝技術(shù)與系統集成能力同樣至關(guān)重要?！秉S慶義表示道。另一方面，從性能發(fā)展來(lái)看，提升效率、減小面積和降低電磁輻射仍是最主要的三大設計維度。在傳統的電子產(chǎn)品設計過(guò)程中，這三大維度的平衡極具挑戰性，通常優(yōu)化一個(gè)參數意味著(zhù)犧牲一個(gè)或多個(gè)其他性能。但眾所周知，ADI的電源產(chǎn)品一向以小尺寸、高效率和低EMI著(zhù)稱(chēng)。
效率、尺寸與噪聲上的極致追求是高性能電源技術(shù)發(fā)展永恒的趨勢
如今電子設備已經(jīng)成為了現代人日常生活必不可少的一部分，但同樣也帶了不良影響比如電源產(chǎn)生的電磁輻射對健康的潛在危害。此外，電磁輻射還會(huì )對設備本身造成損害，影響設備內部元器件工作性能，甚至可能導致系統崩潰。業(yè)界也一直在尋求突破，要在電源系統的設計上最大程度降低電磁輻射并且保證最大轉換效率。對此，ADI的Silent Switcher技術(shù)通過(guò)在集成單片DC/DC轉換器中實(shí)現了部分改進(jìn)和巧妙的設計理念，消除了在幾大要素間進(jìn)行權衡的難題。
“電磁輻射/噪聲——相信沒(méi)有什么能比這幾個(gè)字更讓電源設計工程師焦慮了，它來(lái)自哪里、怎么消除是整個(gè)行業(yè)‘亙古不變’的討論話(huà)題?！秉S慶義表示。通常，導致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴的是開(kāi)關(guān)穩壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。當電路開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形就會(huì )出現明顯的振蕩，這就是一項產(chǎn)生EMI的因素。單純減少該噪聲也并不難，傳統方式是減慢MOSFET開(kāi)關(guān)邊緣速率，通過(guò)減慢內部開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器或從外部添加緩沖器就可以實(shí)現。但這會(huì )導致新的問(wèn)題，由于增加了開(kāi)關(guān)損耗，轉換器的效率會(huì )降低。
因此要想有效減少EMI并改進(jìn)功能，需要盡量減少電流回路的輻射效應。黃慶義解析，普通的電源是單個(gè)電流回路，Silent Switcher采用兩個(gè)對稱(chēng)分布的輸入熱回路。根據右手定則，這兩個(gè)回路產(chǎn)生磁場(chǎng)方向相反，能量相互抵消，從而電氣回路對外沒(méi)有凈磁場(chǎng)。因此，Silent Switcher器件無(wú)需減慢開(kāi)關(guān)邊緣速率，這解決了EMI和效率之間的權衡問(wèn)題。同時(shí)，其架構經(jīng)過(guò)不斷的迭代、優(yōu)化、升級，產(chǎn)品內置了高頻回路電容，進(jìn)一步優(yōu)化了系統等效感抗以降低開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的振鈴，縮短MOS死區時(shí)間，推動(dòng)電源轉換效率，使無(wú)負載靜態(tài)電流低至2.5μA，同時(shí)電源的輸出紋波也低至10mV以?xún)取?/p>
Silent Switcher 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的噪聲
值得一提的是，Silent Switcher架構使用專(zhuān)有設計和封裝技術(shù)，能夠最大限度在高頻率下實(shí)現更高效率，提供更低的EMI性能，并通過(guò)使用非常緊湊可靠的設計來(lái)通過(guò)EMC的測試。由于其支持高電壓輸入、大電流輸出以及非常小的最小導通時(shí)間，所以在工業(yè)、醫療健康、通信、汽車(chē)、能源、數據中心等等領(lǐng)域都有不錯的表現。
“工業(yè)控制領(lǐng)域的客戶(hù)非常歡迎Silent Switcher技術(shù)，因為過(guò)去僅是解決EMI的認證問(wèn)題都要半年的時(shí)間。而Silent Switcher技術(shù)的出現，能夠幫客戶(hù)節省該部分成本?！秉S慶義分享道，“Silent Switcher同樣獲取了汽車(chē)Tier 1和車(chē)廠(chǎng)的認可，因為汽車(chē)領(lǐng)域電源設計一個(gè)重要方向就是極大降低EMI，讓車(chē)身系統更穩定?！奔骖櫢咝逝cEMI特性的Silent Switcher技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世以來(lái)電源領(lǐng)域的先進(jìn)成果之一，這項降噪技術(shù)在許多噪聲敏感應用中改善了EMI性能，提高了系統效率，減小了輸出紋波，還進(jìn)一步有助于縮小解決方案總體尺寸。
多維度適配力Max，μμModule系列成就電源界的“瑞士軍刀”
在一些特定的領(lǐng)域需要定制電源，例如沙漠中承受炙烤的5G無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機，要保證其正常運行，意味著(zhù)組件要夠小夠輕，電子系統的效率夠高，產(chǎn)生的熱量就越少，系統才容易保持冷卻和正常運行。例如數據中心里正在執行上百萬(wàn)次搜索的服務(wù)器群必須具有非常高的功率密度，才能大限度地提高效率，快速傳輸內容。要為這種場(chǎng)景從頭開(kāi)始設計定制電源會(huì )有長(cháng)周期影響產(chǎn)品上市，使設備造價(jià)更高，如果有一種模塊化可配置電源將是極好的選擇，讓設計師可以專(zhuān)注于系統級設計。
ADI電源的另一大特色μModule (微型模塊)產(chǎn)品即是這樣的選擇，作為完整的系統級封裝(SiP)解決方案，可最大限度縮短設計時(shí)間，并幫助客戶(hù)縮減電源電路板尺寸和電路設計復雜度，同時(shí)還提高了系統的可靠性?！霸撓盗惺菍⒔M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，最終加速了產(chǎn)品上市速度。并且μModule在過(guò)去多年的發(fā)展過(guò)程中衍生了一系列可以匹配目前幾乎所有應用的模塊?！秉S慶義指出。
例如當前數據中心需要大幅增加電力供應，對相配套的電源設計方案提出了諸多挑戰。尤其是數據中心的服務(wù)器系統的外形尺寸已經(jīng)固定，要提高ASIC的吞吐量性能則需大幅提高功率密度，而在尺寸限制不變的情況下，開(kāi)發(fā)人員如何幫助提高吞吐能力？以更高的效率和更小的尺寸提供更多功率的μModule系列是極佳選擇：隨著(zhù)功率密度的要求越來(lái)越高，為了保證輸出大電流，此前需要很多個(gè)模塊并聯(lián)起來(lái)才能實(shí)現，現在通過(guò)單個(gè)模塊就能實(shí)現。比如μModule新系列產(chǎn)品LTM4681能在22mm x 15mm的面積內輸出單路125A或四路31.25A的電流，可滿(mǎn)足ASIC、GPU和FPGA等IC的需求，能夠輕松為低電壓和高電流的先進(jìn)數字設備供電。
高功率密度的電源模塊
另一方面，在外形尺寸的約束下越來(lái)越多的功能被納入PCB，電路板上為其供電所需的總功率水平也在增加，所以散熱也很重要。但由于散熱空間存在限制，氣流量有限，設備的性能和長(cháng)期可靠性受到挑戰?！霸谠S多情況下，由于空間限制，我們的客戶(hù)只能將電源放在PCB的背面，我們開(kāi)發(fā)超薄的電源模塊，常規尺寸1.8mm，最薄可到1.18mm，以便它們既能很容易地放入其中，又能幫助解決空間和密度問(wèn)題?！秉S慶義解釋道。
電源優(yōu)化迭代探索不止，“更小更安靜更高效”持續升級
在汽車(chē)、工業(yè)、通信、能源等領(lǐng)域飛速發(fā)展的今天，市場(chǎng)對高性能電源技術(shù)的渴求愈演愈烈，業(yè)界不乏深耕電源領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)。 ADI作為該行業(yè)領(lǐng)先者，能夠始終憑借自身的高性能電源技術(shù)和解決方案引領(lǐng)市場(chǎng)，是源于背后數十年在半導體領(lǐng)域的技術(shù)沉淀以及精益求精地不斷創(chuàng )新精神。
縱觀(guān)Silent Switcher技術(shù)的發(fā)展，最初的Silent Switcher已經(jīng)滿(mǎn)足低電磁輻射、高效率、高開(kāi)關(guān)頻率三種需求，無(wú)需權衡取舍。但因其需要對非常高要求的布局才能發(fā)揮磁場(chǎng)相互抵消的優(yōu)勢，于是為了確保在設計及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的正確布局，Silent Switcher 2誕生，其將電容集成在新LQFN封裝內，盡可能靠近芯片放置，將熱回路做到最小，從而降低了EMI，也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了PCB板的布局要求，使得PCB布板更加方便靈活。
Silent Switcher技術(shù)的演進(jìn)路線(xiàn)圖
據黃慶義介紹，如今的Silent Switcher 3在過(guò)去的基礎上又新增了超低噪聲設計，包含高增益誤差放大器，提供超低EMI輻射和快速瞬態(tài)響應，使得它輸出的噪聲非常接近LDO的水平，同時(shí)其封裝也進(jìn)行了很多的優(yōu)化，使得該系列新品LT8627SP在2 MHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下也能輕松運行，有助于改善紋波、尺寸、噪聲和帶寬。值得一提的是，ADI仍在繼續開(kāi)發(fā)Silent Switcher技術(shù)，以進(jìn)一步降低系統噪聲水平，不斷擴大應用范圍。
大電流電源模塊的演進(jìn)
另一方面，μModule系列同樣如此，在大電流的實(shí)現上不斷進(jìn)階，從2010年時(shí)ADI需要12片LTM4601才可以做到144A，到LTM4700問(wèn)世只需1片就能做到100A，在LTM4681推出之后，甚至在22mm×15mm的面積之內，就能輸出單路125A或四路31.25A的電流。同時(shí)，厚度還在不斷變薄，從LTM4631的1.91mm，到LTM4632的1.82mm, 再到LTM4663的1.3mm，最后甚至到LTM4691的1.18mm, 模塊的厚度幾乎達到和分立器件的厚度相當的水平。黃慶義舉例道：“以光模塊為例， 超薄外形的μModule可以安裝在電路板的背面，這大大節省了寶貴的PCB面積，簡(jiǎn)化了電源的設計?！?/p>
超薄電源模塊的演進(jìn)
“ADI在電源領(lǐng)域的探索不會(huì )停止。此前對美信的并購，也進(jìn)一步擴充了ADI電源產(chǎn)品組合?！秉S慶義最后表示，“確?？蛻?hù)的電子系統以最佳效率、最佳性能運行是ADI的承諾，我們會(huì )繼續提供創(chuàng )新、高性能的電源方案，為行業(yè)發(fā)展提供最好的技術(shù)支持?！?/p>
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