从ADI电源产品技术创新看行业要求和设计痛点

ADI和Linear公司在去年3月正式完成合并后，市场集中度很高，80%的市场集中在工业、通信和汽车领域。这次合并，使得ADI的器件由2万个增加到4.3万个，其中电源超过1万个，有18个大的产品系列，大部分是Linear的产品，基于Linear在电源领域的深厚积累和优势，ADI电源产品线的子品牌就叫Power by Linear。由此，ADI的电源产品占有率跃居至全球第二。

日前，电子发烧友应邀参加了ADI公司的一场Workshop，资深电源技术专家ADI公司电源系统工程总监梁再信先生分享了该公司最新的产品和技术。从这些产品和技术中，我们可以看到行业应用对电源产品的要求以及设计痛点。
 

图：资深电源技术专家ADI公司电源系统工程总监梁再信

梁再信表示，自动驾驶、汽车电子、工业4.0、下一代通信和沉浸式消费体验这些领域都是ADI重点关注的市场。虽然Power by Linear的器件超过1万种，但其产品设计的思路始终围绕三个重点：一是怎样减少芯片的尺寸和体积的同时提供很好的性能？二是如何提高效率？三是关系到系统的稳定性和可靠性的EMI优化。

工业应用

在工业领域，中国今明两年在半导体相关的设备投入增长幅度非常大，从全球来看，规模增长最大的是中国，韩国有点微跌，***持平，美国也是持平。

图：全球区域半导体设备支出情况统计

除了信号链产品，ADI正在把中国的半导体生产、测试、封装设备作为电源产品的重要增长支点。“这些设备中空间都非常紧凑，所以我们的电源模块有非常多的机会。” 梁再信说，“我们的Power Module经过十年发展，已经有非常完整的产品序列，对半导体设备制造商都可以有很好的技术和产品支持，协助他们完成非常挑战的设计，用小体积、高效率的产品、在很小的空间里支持更多的器件。”

图：ADI在半导体设备中的电源产品线

Silent Switcher是ADI具有代表性的解决工业应用中EMI和干扰痛点的器件架构技术。其创新突破是，普通的电源是单个电流回路，Silent Switcher则是两个反向电流环，大大降低了EMI水平，不用特别优化就可以满足标准。以LT8609S为例，多数EMI问题需要用四层板、六层板加屏蔽、隔离等方法才能实现，LT8609S用两层板做一个标准设计就可以满足工业级EMI标准，而且还有一些余量。

图：ADI的Silent Switcher架构技术

汽车电子

ADI在安全气囊领域有超过25年的历史，也是自动化和自动驾驶领域的重要器件供应商。激光雷达、微波雷达、车身测量系统、惯导和陀螺仪等都是Power by Linear产品的应用方向。

在自动驾驶应用中，降噪是一个关键。ADI在2016年推出的业界最低噪声的LT3045，其噪声低至0.8μV，比传统锂电池2.7μV的噪声还少，而1M以下PSRR值达到78个dB以上，给Lidar、Radar供电的时候可以显著提升性能，由于降低了雷达系统的噪声，整车和乘客的安全性得到了提升。

另外一个关键点在于降低EMI干扰。前面提到的Silent Switcher技术，由于极大降低了EMI干扰，使得车身系统更稳定，这对于高度集成电子器件的车身而言十分有益。此外，针对汽车以太网的PoDL, 即Power Over Data Line技术，使得数据线同时具备供电能力，因此节省了大量的电缆施工和重量，提高了可靠性，同时也降低了施工的难度，并且节省了整车成本。

在自动驾驶应用中，汽车照明安全技术始终是一个重要课题。奥迪A8的LED矩阵大灯，由非常多的LED单元构成，两车会车时可以利用车身摄像头判断对车位置，系统自动关闭来车那侧的一部分灯，让会车更安全。这个技术就是Power by Linear提供的。

图：奥迪A8所采用的ADI汽车照明安全技术

续航里程一直是电动汽车的痛点，电池管理系统BMS是其中优化的关键，ADI的相关产品（LTC680X系列）一度占据中国80%以上的市场份额。

在混合动力汽车领域，如何解决大功率48伏系统和12伏系统之间的平衡和转换是一个重要课题。因为48伏系统的瞬间功率会高达十几千瓦，对安全性和可靠性是很大的挑战。LTC3871就是ADI一款针对这一痛点的应用方案。该器件具有双向两相同步降压或升压特性，当起动汽车或需要额外功率时，LTC3871允许两个电池同时为同一个负载供能，最高可实现97%的效率；在48伏发电时，可以降压给12伏系统充电；如果有需要，12V还可给48V补电。

图：LTC3871解决48伏系统痛点

在传统燃油汽车系统中，发电转换损耗是一个问题。把发电变成直流电给蓄电池供电通常会用到传统二极管当整流桥，由于传统二极管存在压差，电流越大压差也越大，约达到0.4伏到0.7伏，功率损耗很大。针对这个痛点，ADI研发了理想二极管桥堆，用MOS管代替二极管。由于MOS管的阻抗比较低，可以提高效率，降低功率损耗，桥堆不需要散热器，可靠性也提高了。

在汽车电子系统中，启动瞬间高压对安全性和可靠性来讲也一直是非常大的挑战，因为汽车的电瓶和整个系统越来越复杂，过去的汽车电子大部分是在12伏系统下工作的，在恶劣的条件下，有可能瞬间达到70伏，可能把组件打坏。过去最常见的解决方法是加PVS管，但是3000瓦、6000瓦的PVS管体积比较大，比较难固定，稳定性和可靠性欠佳。ADI的Surge Stopper技术，把瞬间脉冲的干扰电源尖的部分全部消除，将其控制在设定的标准范围之内，这样车身系统就能避免因为意外的干扰损坏汽车上的组件，进而提高安全性。

通信应用

对于华为、思科、爱立信、中兴这些通信系统设备供应商而言，5G带来的挑战非常大。小型化、高带宽、高功率，这些对基站设备在能源密度、效能和可靠性方面都提出了迫切的要求。

对于无线基站模块而言，小型化和高集成度对于供电、散热、效率和可靠性性能要求很高。所以在POE方案设计中，不仅要实现通过网线给电源供电，同时要考虑如何提升功率密度。以FPGA的0.8V内核电压、100A的输出电流为例，ADI电源模块在2010年需要12片LTM4601才能做到100A，经过3次迭代，到最新的LTM4700只要1片就能做到100A！

基于封装工艺的迭代，LTM4700内置了散热器，将电感从模块中移至模块上帮助散热，电感可以非常有效的把热从空气中带走，其散热性能胜过离散的方案。

图：LTM4700只有拇指大小，厚度约和铅笔一样

与无线不同，有线设备需要热插拔、高转换效率以及电源管理PSM的应用。此外，由于局端设备的温度非常高，效率优化十分重要。传统的电源，效率到93%、94%，就很难再提升了。在通信背板上，48V往下转时，往往转换效率不高，这个痛点如何解决？

ADI的方法是优化电感损耗的问题。LTC7820是一款固定比例高电压高功率开关电容器，用CFLY（飞电容） 取代过去损耗比较大的电感，2.8×2.8厘米6毫米厚的模块，从48V到24V，可以推约500W功率，效率在99%左右。这个器件体现了一个创新思路：即通过非常高效的电路，把48伏转成24伏，剩下的板级系统再往下转，既简化了设计，又解决了传统电路的瓶颈。

图：LTC7820用CFLY取代电感提高转换效率

光通信市场在中国的快速增长推动着光模块的发展。体积是光模块设计最大的挑战。如ADI的LTM4622和LTM4624是6.25mm×6.25mm×1.8mm的电源模块，已经得到广泛应用。

梁再信表示，总的来看，通信电源模块对产品设计的要求主要是三个方向：一是大功率，如100A的输出电流，ADI已在研发下一代；二是小体积，ADI已在研发4mm×4mm的产品；三是做薄，比如1.8mm、1.5mm甚至更薄，在这么薄的空间里还要集成MOS管、电感等器件，这是很大的挑战。用多层基板做模块是ADI独有的方法，这个方法解决了小体积器件高密度布线、散热、多元器件封装的难题。