揭開(kāi)電源管理IC未來(lái)五年增速強勁之謎

電源轉換效率提升，電源更小更緊湊，通過(guò)協(xié)議負載實(shí)現對電壓電流的控制……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)的次級側反饋器件由于高度集成，在一眾競爭產(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、具備追蹤系統及善于分析RMA的OEM廠(chǎng)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)自國內還是海外。而Power Integrations之所以能夠成為高端品牌的代表，是因為“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)機會(huì )，比這些元件全部加在一起帶來(lái)的機會(huì )更多。為此，Power Integrations在一個(gè)單一封裝內集成了包括初級、次級和反饋鏈路器件，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，從而可以極大地節省支出。另外，由于PI在中國已擁有并正擴大器件封裝生產(chǎn)線(xiàn)，因此能夠充分滿(mǎn)足中國市場(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)的應用。Doug Bailey表示，他們發(fā)現了手機充電器這一方向的良好增長(cháng)，尤其是采用快充協(xié)議或USB-PD的手機充電器。同時(shí)，也看到了在HBA應用中的增長(cháng)，提升了市場(chǎng)對了PI“無(wú)需零線(xiàn)”智能開(kāi)關(guān)電源和低待機功率的智能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換到環(huán)境中去。但我們認為使用散熱片是一個(gè)‘設計缺陷’，因為這意味著(zhù)開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)設計了一個(gè)要浪費珍稀自然資源的電源。”在Doug Bailey看來(lái)，設計者有責任確保進(jìn)入電源內的電能也能通過(guò)轉換的形式再次出來(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，也是驅動(dòng)PI關(guān)注高效產(chǎn)品設計的根本原因。

ADI和凌力爾特(Linear Technology)的合并可以說(shuō)是半導體領(lǐng)域年度史上的一起重磅并購，ADI中國區總裁Jerry Fan曾表示，希望ADI通過(guò)這起并購從“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)導者。

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

“三個(gè)維度”護航工業(yè)4.0

IHS Markit研究顯示，2017年全球工業(yè)半導體產(chǎn)值為491億美元，年增率11.8%。該機構預估，至2022年，工業(yè)半導體市場(chǎng)仍將持續增長(cháng)，年復合成長(cháng)率(CAGR)達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)品中國區市場(chǎng)總監梁再信表示，工業(yè)4.0真正的本質(zhì)和基礎，是如何提供實(shí)時(shí)控制、軟件可配制的I/O，以及所有這些設備的可靠性、安全性和健康運行。隨著(zhù)未來(lái)工業(yè)4.0設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，因此ADI著(zhù)重在高功效、小體積、低電磁干擾(EMI)這三個(gè)維度上提供強大支持和創(chuàng )新產(chǎn)品。

怎樣減少系統的噪聲和干擾，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相當低。除此之外，它還極大降低了紋波，解決了噪聲問(wèn)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(yè)控制、汽車(chē)領(lǐng)域，大部分客戶(hù)對Silent Switcher技術(shù)都非常感興趣。因為在過(guò)去，他們光是要解決EMI的認證問(wèn)題就需要半年以上的時(shí)間，Silent Switcher技術(shù)的出現，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93%，滿(mǎn)足CISPR25 Class 5 EMI的指標，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，也同樣能夠實(shí)現很低的EMI表現。

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)品設計工程師專(zhuān)注于做系統級設計，而不用花時(shí)間去調一個(gè)復雜的電源系統。”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IO和內核供電系統的示例，成功節省了30到100個(gè)的元器件數量，而且整個(gè)系統的可靠性也會(huì )得到提升。

比如 ADI µModule(微型模塊)穩壓器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用可實(shí)現針對電壓和負載變化的非?？焖偎矐B(tài)響應，而并不犧牲穩定性。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16A的電流能力，該電源模塊的高效率設計使每個(gè)通道能夠提供4A連續(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)論對于電源管理、動(dòng)力總成還是信息娛樂(lè )系統、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A(yíng)DI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?jì)?yōu)化(安全駕駛更長(cháng)距離)、高低壓雙向轉換、新的浪涌和高壓保護機制等等創(chuàng )新技術(shù)特性。

例如，針對汽車(chē)系統中越來(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)現雙向供電，并對48V和12V系統進(jìn)行管理，從而確保整個(gè)汽車(chē)系統的安全運行，就是LTC3871的設計思路。

梁再信解釋說(shuō)，48V系統的出現，是為了優(yōu)化電纜和車(chē)身布線(xiàn)，但目前很多系統裝備依然在短期內沒(méi)法向48V系統遷移。因此相當一段時(shí)間內，會(huì )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(jīng)成為新一代48V車(chē)載系統的標準配置。

從汽車(chē)系統的安全性和可靠性來(lái)講，汽車(chē)還會(huì )因為電瓶和越來(lái)越復雜的系統而在啟動(dòng)時(shí)或受到意外干擾時(shí)會(huì )出現瞬間高壓情況，而這很可能導致組件的壞損。傳統的解決方案是增加PVS管，但存在體積偏大等缺點(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，確保輸出電壓在設定的標準范圍之內，車(chē)身系統會(huì )更加安全。再結合可控的電源工藝，車(chē)身系統就不會(huì )因為意外的干擾造成組件損壞。

直面5G通信的電源設計挑戰

5G通信系統不但需要非常高的功率密度，芯片功耗和如何提高轉換效率也是亟待解決的問(wèn)題。在梁再信看來(lái)，傳統的DC/DC電源，由于MOSFET開(kāi)關(guān)損耗和電感轉換損耗的存在，效率無(wú)法在當前構架下取得突破性進(jìn)展，ADI為此轉換了設計思路，研發(fā)了沒(méi)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(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整的同時(shí)，依然將效率保持在97%以上。

ADI在通信應用的電源技術(shù)創(chuàng )新和調整方面還做了很多其它的改進(jìn)：比如結合理想二極管的優(yōu)點(diǎn)支持熱插拔，能夠讓通信系統獲得比以前更好的穩定性；通過(guò)帶數字接口的電源管理系統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。尤其當系統不穩定時(shí)，可以通過(guò)帶數字接口的電源管理系統(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(xiàn)傳輸數據和電源，POE(Power over Ethernet)在通信領(lǐng)域的應用也受到了廣泛的重視。隨著(zhù)5G基站容量越大，需要的功率也就越大，只有25.5瓦的國際標準顯然越來(lái)越難以應對。為此，ADI率先推出了150瓦POE解決方案，成為通信領(lǐng)域強有力的技術(shù)平臺。

助力發(fā)展高效、清潔、可靠的能源系統 

能源是關(guān)系國計民生的重要話(huà)題。無(wú)論對于智能電網(wǎng)、可再生能源生成和存儲、企業(yè)能源管理、電動(dòng)汽車(chē)充電樁基礎設施等，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)力的標準之一。

在電力供應中，為了保證系統不斷電，ADI提出用超級電容做備份電源，并為它提供完備的能量存儲和管理方案。比如LTC3350，它可對四個(gè)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(shí)還補充電容的內阻，以及自動(dòng)對所有電容做能量均衡，功能十分強大。針對國家電網(wǎng)傳輸塔上的FCI監控裝置，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)和運動(dòng)檢測、阻抗、生物電位和信號調理技術(shù)提高可穿戴生命體征監護(VSM)水平；通過(guò)精確的地理位置檢測、智能數據采集和傳感器融合技術(shù)實(shí)現實(shí)時(shí)自主決策、更高的資源效率、更簡(jiǎn)便的互聯(lián)農場(chǎng)生態(tài)系統連接的智慧農場(chǎng)等。