揭開(kāi)電源管理IC未來(lái)五年增速?gòu)?qiáng)勁之謎

電源轉(zhuǎn)換效率提升，電源更小更緊湊，通過(guò)協(xié)議負(fù)載實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的控制……這一系列的需求是IC市場(chǎng)上的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。Power Integrations(PI)公司市場(chǎng)副總裁Doug Bailey舉例稱(chēng)，PI基于新型FLUXLINK技術(shù)的次級(jí)側(cè)反饋器件由于高度集成，在一眾競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品中脫穎而出的同時(shí)，仍然保持了較高的性?xún)r(jià)比。

“這是一個(gè)極佳的例證。”他說(shuō)，那些看重品質(zhì)控制、具備追蹤系統(tǒng)及善于分析RMA的OEM廠商們都知道：電源失效往往是客戶(hù)退貨的首要原因，所以他們會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間尋找更高質(zhì)量的電源元件，不管是來(lái)自國(guó)內(nèi)還是海外。而Power Integrations之所以能夠成為高端品牌的代表，是因?yàn)?ldquo;我們既關(guān)注性能，同時(shí)也關(guān)注產(chǎn)品的可靠性。”

眾所周知，除了摩爾定律以外，半導(dǎo)體行業(yè)還有一條定律，就是—“集成必勝”—在一顆IC上將功能組合在一起產(chǎn)生的技術(shù)機(jī)會(huì)，比這些元件全部加在一起帶來(lái)的機(jī)會(huì)更多。為此，Power Integrations在一個(gè)單一封裝內(nèi)集成了包括初級(jí)、次級(jí)和反饋鏈路器件，去掉了大量的分立及無(wú)源元件。如今市場(chǎng)面臨MOSFET、MLCC及其他元件短缺的問(wèn)題，但是如果使用這樣的產(chǎn)品，則無(wú)需尋找價(jià)格極易波動(dòng)的元件，從而可以極大地節(jié)省支出。另外，由于PI在中國(guó)已擁有并正擴(kuò)大器件封裝生產(chǎn)線，因此能夠充分滿足中國(guó)市場(chǎng)的銷(xiāo)售需求，并從中獲益。

PI的產(chǎn)品主要面向與主電源相關(guān)的應(yīng)用。Doug Bailey表示，他們發(fā)現(xiàn)了手機(jī)充電器這一方向的良好增長(zhǎng)，尤其是采用快充協(xié)議或USB-PD的手機(jī)充電器。同時(shí)，也看到了在HBA應(yīng)用中的增長(zhǎng)，提升了市場(chǎng)對(duì)了PI“無(wú)需零線”智能開(kāi)關(guān)電源和低待機(jī)功率的智能LYTSwitch-6產(chǎn)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(qū)動(dòng)市場(chǎng)進(jìn)步。

“散熱片作為一個(gè)器件，它唯一的功能是將能量轉(zhuǎn)換到環(huán)境中去。但我們認(rèn)為使用散熱片是一個(gè)‘設(shè)計(jì)缺陷’，因?yàn)檫@意味著開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)要浪費(fèi)珍稀自然資源的電源。”在Doug Bailey看來(lái)，設(shè)計(jì)者有責(zé)任確保進(jìn)入電源內(nèi)的電能也能通過(guò)轉(zhuǎn)換的形式再次出來(lái)，而不是作為熱量被耗散掉。因此，提升效率并去掉散熱片不但是發(fā)展趨勢(shì)，也是驅(qū)動(dòng)PI關(guān)注高效產(chǎn)品設(shè)計(jì)的根本原因。

ADI和凌力爾特(Linear Technology)的合并可以說(shuō)是半導(dǎo)體領(lǐng)域年度史上的一起重磅并購(gòu)，ADI中國(guó)區(qū)總裁Jerry Fan曾表示，希望ADI通過(guò)這起并購(gòu)從“行業(yè)領(lǐng)先”做到“一騎絕塵”，成為一家全球領(lǐng)先的高性能模擬行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。

得益于高度互補(bǔ)的市場(chǎng)和技術(shù)實(shí)力，整合后的ADI一方面在大客戶(hù)中加強(qiáng)了Linear產(chǎn)品新的擴(kuò)充，另一方面，在Linear中小客戶(hù)廣泛的基礎(chǔ)群中融入了ADI的產(chǎn)品和解決方案，并起用了全新的子品牌—Power By Linear。數(shù)據(jù)顯示，ADI在收購(gòu)Linear后，僅在工業(yè)市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品的營(yíng)收就高達(dá)28億美元。

“三個(gè)維度”護(hù)航工業(yè)4.0

IHS Markit研究顯示，2017年全球工業(yè)半導(dǎo)體產(chǎn)值為491億美元，年增率11.8%。該機(jī)構(gòu)預(yù)估，至2022年，工業(yè)半導(dǎo)體市場(chǎng)仍將持續(xù)增長(zhǎng)，年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)7.1%，而ADI公司電源業(yè)務(wù)營(yíng)收的40%+恰好來(lái)自于工業(yè)領(lǐng)域。

ADI電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)梁再信表示，工業(yè)4.0真正的本質(zhì)和基礎(chǔ)，是如何提供實(shí)時(shí)控制、軟件可配制的I/O，以及所有這些設(shè)備的可靠性、安全性和健康運(yùn)行。隨著未來(lái)工業(yè)4.0設(shè)備和裝置的智能化程度越來(lái)越高，靈活性、效率、通信、安全性和可靠性正成為非常關(guān)鍵的性能指標(biāo)，因此ADI著重在高功效、小體積、低電磁干擾(EMI)這三個(gè)維度上提供強(qiáng)大支持和創(chuàng)新產(chǎn)品。

怎樣減少系統(tǒng)的噪聲和干擾，EMI是關(guān)鍵，而大部分的EMI問(wèn)題源于電源干擾。梁再信列舉了采用Silent Switcher技術(shù)的最新一代LT8614芯片。它不僅通過(guò)兩個(gè)反向的電流環(huán)路優(yōu)化磁場(chǎng)閉合路徑，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)環(huán)路優(yōu)化將上升沿的振鈴控制得非常小，再加上其高度優(yōu)化的封裝工藝，其EMI相當(dāng)?shù)?。除此之外，它還極大降低了紋波，解決了噪聲問(wèn)題，將系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都能做得極為出色。

“在機(jī)器人、工業(yè)控制、汽車(chē)領(lǐng)域，大部分客戶(hù)對(duì)Silent Switcher技術(shù)都非常感興趣。因?yàn)樵谶^(guò)去，他們光是要解決EMI的認(rèn)證問(wèn)題就需要半年以上的時(shí)間，Silent Switcher技術(shù)的出現(xiàn)，極大加速了客戶(hù)的產(chǎn)品上市時(shí)間。”梁再信說(shuō)。目前，ADI Silent Switcher2 產(chǎn)品效率可達(dá)93%，滿足CISPR25 Class 5 EMI的指標(biāo)，以該系列產(chǎn)品中的LT8609為例，即使僅僅使用簡(jiǎn)單的2層板，也同樣能夠?qū)崿F(xiàn)很低的EMI表現(xiàn)。

要想做出高集成度的電源產(chǎn)品，電路板小尺寸、薄型化等是關(guān)鍵方向。“做好電源模塊，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師專(zhuān)注于做系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，而不用花時(shí)間去調(diào)一個(gè)復(fù)雜的電源系統(tǒng)。”梁再信表示這是電源模塊的關(guān)鍵點(diǎn)。他給出了某個(gè)系統(tǒng)IO和內(nèi)核供電系統(tǒng)的示例，成功節(jié)省了30到100個(gè)的元器件數(shù)量，而且整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也會(huì)得到提升。

比如 ADI µModule(微型模塊)穩(wěn)壓器LTM4622，該產(chǎn)品采用纖巧的超薄型6.25 x 6.25 x 1.82mm LGA和6.25 x 6.25 x 2.42mm BGA封裝，封裝中內(nèi)置了開(kāi)關(guān)控制器、功率FET、電感器和支持組件，其高開(kāi)關(guān)頻率和電流模式控制的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)針對(duì)電壓和負(fù)載變化的非?？焖偎矐B(tài)響應(yīng)，而并不犧牲穩(wěn)定性。此外，四路4A電源模塊整列LTM4644，輸出可通過(guò)并聯(lián)形成一個(gè)陣列以提供高達(dá)16A的電流能力，該電源模塊的高效率設(shè)計(jì)使每個(gè)通道能夠提供4A連續(xù)(5A峰值)輸出電流，僅需大容量的輸入和輸出電容器。

駕馭安全汽車(chē)未來(lái)

無(wú)論對(duì)于電源管理、動(dòng)力總成還是信息娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)燈照明等等，在汽車(chē)電源產(chǎn)品領(lǐng)域的變遷過(guò)程中，“安全”始終是一個(gè)關(guān)鍵詞，而在ADI提供的創(chuàng)新解決方案中，這一點(diǎn)可能反映為超低噪聲(電磁干擾)、電池主動(dòng)均衡和能量?jī)?yōu)化(安全駕駛更長(zhǎng)距離)、高低壓雙向轉(zhuǎn)換、新的浪涌和高壓保護(hù)機(jī)制等等創(chuàng)新技術(shù)特性。

例如，針對(duì)汽車(chē)系統(tǒng)中越來(lái)越多的48V和12V電壓共存問(wèn)題，如何把一個(gè)48V電池組和12V電池組連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)雙向供電，并對(duì)48V和12V系統(tǒng)進(jìn)行管理，從而確保整個(gè)汽車(chē)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，就是LTC3871的設(shè)計(jì)思路。

梁再信解釋說(shuō)，48V系統(tǒng)的出現(xiàn)，是為了優(yōu)化電纜和車(chē)身布線，但目前很多系統(tǒng)裝備依然在短期內(nèi)沒(méi)法向48V系統(tǒng)遷移。因此相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)48V和12V系統(tǒng)共存的局面。而LTC3871能夠提供非常好的穩(wěn)定性和雙向電壓轉(zhuǎn)換功能，已經(jīng)成為新一代48V車(chē)載系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

從汽車(chē)系統(tǒng)的安全性和可靠性來(lái)講，汽車(chē)還會(huì)因?yàn)殡娖亢驮絹?lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)而在啟動(dòng)時(shí)或受到意外干擾時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間高壓情況，而這很可能導(dǎo)致組件的壞損。傳統(tǒng)的解決方案是增加PVS管，但存在體積偏大等缺點(diǎn)。而ADI的做法是采用Surge Stopper，通過(guò)反饋和MOSFET控制把瞬間脈沖的干擾電源尖峰部分全部消掉，確保輸出電壓在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，車(chē)身系統(tǒng)會(huì)更加安全。再結(jié)合可控的電源工藝，車(chē)身系統(tǒng)就不會(huì)因?yàn)橐馔獾母蓴_造成組件損壞。

直面5G通信的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

5G通信系統(tǒng)不但需要非常高的功率密度，芯片功耗和如何提高轉(zhuǎn)換效率也是亟待解決的問(wèn)題。在梁再信看來(lái)，傳統(tǒng)的DC/DC電源，由于MOSFET開(kāi)關(guān)損耗和電感轉(zhuǎn)換損耗的存在，效率無(wú)法在當(dāng)前構(gòu)架下取得突破性進(jìn)展，ADI為此轉(zhuǎn)換了設(shè)計(jì)思路，研發(fā)了沒(méi)有電感的轉(zhuǎn)換器LTC7820，從而一舉將效率提升到99%以上。在此基礎(chǔ)上，ADI又開(kāi)發(fā)了綜合了無(wú)電感高效變換器和高性能降壓電路優(yōu)點(diǎn)的混合型開(kāi)關(guān)電源，可確保在輸出電壓隨意調(diào)整的同時(shí)，依然將效率保持在97%以上。

ADI在通信應(yīng)用的電源技術(shù)創(chuàng)新和調(diào)整方面還做了很多其它的改進(jìn)：比如結(jié)合理想二極管的優(yōu)點(diǎn)支持熱插拔，能夠讓通信系統(tǒng)獲得比以前更好的穩(wěn)定性；通過(guò)帶數(shù)字接口的電源管理系統(tǒng)可以記錄每一路的電源狀態(tài)、電壓、電流、溫度等，甚至可以控制輸出的電壓。尤其當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，可以通過(guò)帶數(shù)字接口的電源管理系統(tǒng)(PSM)得知電路故障所在。因此，PSM的測(cè)量和輸出的調(diào)整功能在通信領(lǐng)域越來(lái)越受到重用。

除了PSM，由于可以通過(guò)網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)和電源，POE(Power over Ethernet)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了廣泛的重視。隨著5G基站容量越大，需要的功率也就越大，只有25.5瓦的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)顯然越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)。為此，ADI率先推出了150瓦POE解決方案，成為通信領(lǐng)域強(qiáng)有力的技術(shù)平臺(tái)。

助力發(fā)展高效、清潔、可靠的能源系統(tǒng) 

能源是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要話題。無(wú)論對(duì)于智能電網(wǎng)、可再生能源生成和存儲(chǔ)、企業(yè)能源管理、電動(dòng)汽車(chē)充電樁基礎(chǔ)設(shè)施等，能否提供良好的配套電源技術(shù)方案，成為衡量一家企業(yè)技術(shù)實(shí)力的標(biāo)準(zhǔn)之一。

在電力供應(yīng)中，為了保證系統(tǒng)不斷電，ADI提出用超級(jí)電容做備份電源，并為它提供完備的能量存儲(chǔ)和管理方案。比如LTC3350，它可對(duì)四個(gè)法拉電容做監(jiān)控，不僅能夠?qū)﹄娙葑銎胶夂统?放電管理，同時(shí)還補(bǔ)充電容的內(nèi)阻，以及自動(dòng)對(duì)所有電容做能量均衡，功能十分強(qiáng)大。針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)傳輸塔上的FCI監(jiān)控裝置，ADI的做法是通過(guò)互感器或太陽(yáng)能供電，再通過(guò)高性能MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤及充電管理器件的應(yīng)用，使得電池可以在同樣光照情況下獲得最大的太陽(yáng)能能量。

此外，ADI還在其它IoT方向也實(shí)現(xiàn)了很多重大突破。比如將振動(dòng)、溫差、光、磁場(chǎng)等變成需要的能量采集產(chǎn)品LTC3108/LTC3588；通過(guò)光學(xué)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、阻抗、生物電位和信號(hào)調(diào)理技術(shù)提高可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)(VSM)水平；通過(guò)精確的地理位置檢測(cè)、智能數(shù)據(jù)采集和傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自主決策、更高的資源效率、更簡(jiǎn)便的互聯(lián)農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)連接的智慧農(nóng)場(chǎng)等。