面向新基建，ADI提供三大類電力電源方案

作為全球高性能電源解決方案領(lǐng)先提供商，ADI 提供了門類寬泛的電源轉(zhuǎn)換和管理 IC 產(chǎn)品庫(kù)，涵蓋5G、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車充電樁、特高壓等所有的新基建領(lǐng)域。

這里我們從三個(gè)方面進(jìn)行分享。

ADI公司 電源系統(tǒng)工程總監(jiān) 梁再信

一、完整的系統(tǒng)級(jí)封裝電源管理解決方案

以數(shù)據(jù)中心為例，新基建中多種應(yīng)用對(duì)供電系統(tǒng)都提出了苛刻的要求。今天，數(shù)據(jù)中心被認(rèn)為是能源消耗最嚴(yán)重的新基建基礎(chǔ)設(shè)施之一，減少數(shù)據(jù)中心的能耗、提高能效對(duì)于建設(shè)低碳環(huán)保綠色社會(huì)至關(guān)重要。如何提高數(shù)據(jù)中心能效還便于優(yōu)化熱學(xué)設(shè)計(jì)，降低供電系統(tǒng)尺寸和成本。

此外，穩(wěn)定可靠電源供應(yīng)能力是新基建數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的一大痛點(diǎn)，特別是在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各類處理器，像ASIC、CPU、FPGA低至0.6-0.8伏的核心電壓與50-800安培超高電流高穩(wěn)定性供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的極具挑戰(zhàn)性，需要頂級(jí)的電源的高可靠性和高效的DCDC轉(zhuǎn)換解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ADI的μModule^? (微型模塊) 產(chǎn)品是完整的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 解決方案，可最大限度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并解決工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中常見(jiàn)的電路板空間和安裝密度問(wèn)題。這些 μModule 產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，其在緊湊的表面貼裝型 BGA 或 LGA 封裝中內(nèi)置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補(bǔ)償組件和電感器。在設(shè)計(jì)中采用 ADI 的 μModule 產(chǎn)品，最多能使完成設(shè)計(jì)過(guò)程所需的時(shí)間銳減 50%（取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度）。μModule 系列將組件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)移到了器件身上，從而縮短了總體設(shè)計(jì)時(shí)間和系統(tǒng)故障排除過(guò)程，并最終加快了產(chǎn)品上市速度。

μModule 產(chǎn)品系列廣泛適合于眾多的應(yīng)用，包括負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器、電池充電器、LED 驅(qū)動(dòng)器、電源系統(tǒng)管理 (PMBus 數(shù)字控制式電源) 和隔離式轉(zhuǎn)換器。μModule 電源產(chǎn)品是高度集成的解決方案，可為每款器件提供 PCB 光繪 (Gerber) 文件，因而能在滿足時(shí)間和空間限制條件的同時(shí)提供一種高效、可靠的解決方案，某些產(chǎn)品還可符合 EN55022 Class B 標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到低 EMI 要求。

以μModule 產(chǎn)品系列中的LTM4700 降壓型 DC/DC 電源穩(wěn)壓器為例：LTM4700兼具同類產(chǎn)品最高功率和用以降低數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施冷卻要求的高能效，使得數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商能夠提高其服務(wù)器的密度和性能；可提供雙路 50A 或單路 100A 配置，采用的創(chuàng)新封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在服務(wù)器密度增加以及數(shù)據(jù)中心吞吐量和計(jì)算能力提升下，對(duì)系統(tǒng)尺寸和冷卻成本的影響微乎其微；LTM4700 在 4.5V 至 16V 的輸入范圍內(nèi)工作，其輸出電壓在 0.5V 至 1.8V 的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)字控制；集成式 A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 使得用戶能夠采用一個(gè) I2C PMBus 接口對(duì)電源參數(shù)進(jìn)行數(shù)字監(jiān)視、記錄和控制；開(kāi)關(guān)頻率同步至一個(gè)頻率范圍為 200kHz 至 1MHz 的外部時(shí)鐘，以滿足那些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用；等等。LTM4700 還擁有針對(duì)過(guò)壓和欠壓、過(guò)流和過(guò)溫等故障情況的自保護(hù)和負(fù)載保護(hù)功能。

值得一提的是，μModule電源模塊解決方案不僅適合當(dāng)前新基建的數(shù)字中心建設(shè)，還同樣適合汽車、工業(yè)在內(nèi)的廣泛系統(tǒng)。

二、低EMI特性的通用電源DC/DC轉(zhuǎn)換器

包括各種新基建相關(guān)的產(chǎn)品在內(nèi)，開(kāi)關(guān)電源獲得各種電子系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用，在滿足系統(tǒng)的高效率、低功耗、小尺寸的同時(shí)，這些系統(tǒng)還需要具備能通過(guò)諸如CISPR 32和CISPR 25在內(nèi)的各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)的電子輻射要求。

然而，電源被電源設(shè)計(jì)中空間尺寸、設(shè)計(jì)時(shí)間、效率、EMI行為或瞬態(tài)行為等設(shè)計(jì)參數(shù)的平衡極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)閮?yōu)化一個(gè)參數(shù)意味著犧牲一個(gè)或多個(gè)其他性能。業(yè)界一直在尋求一種辦法，通過(guò)在集成單片DC/DC轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)了一些通用的改進(jìn)和巧妙的設(shè)計(jì)理念，使電源設(shè)計(jì)人員能夠再不犧牲效率、EMI特性或瞬態(tài)性能的情況下實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)空間。而Silent Switcher就是這樣的轉(zhuǎn)換器改進(jìn)和巧妙設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，它是ADI從工程物理的角度實(shí)現(xiàn)的突破和創(chuàng)新，它在芯片設(shè)計(jì)上做了兩個(gè)反向的電優(yōu)化，產(chǎn)生閉合的磁力線，減小對(duì)外界EMI的干擾，幾乎消除了不可預(yù)測(cè)且難以濾波的高頻噪聲。同時(shí)，利用倒裝的方式替代傳統(tǒng)的用金線去綁定內(nèi)核的方式，從而縮減電流，讓EMI降到最低。通過(guò)Silent Switcher技術(shù)，可以輕松滿足CISPR25 EMI標(biāo)準(zhǔn)，而無(wú)需做太多優(yōu)化。第二代Silent Switcher 增加了內(nèi)部旁路電容器和集成度，進(jìn)一步改善了對(duì)PCB布局不敏感的EMI，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，即使使用雙層PC板也能降低性能風(fēng)險(xiǎn)。

Silent Switcher技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了以下電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性，從而其功能和優(yōu)勢(shì)將使開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)更容易滿足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)要求：

●  能夠在大于2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，并且對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響最小。

●  內(nèi)部旁路電容減少EMI輻射并提供更緊湊的解決方案占板空間。

●  采用Silent Switcher 2技術(shù)基本上消除了PCB布局的敏感性。

●  可選展頻調(diào)制有助于降低噪聲敏感度。

●  使用Silent Switcher器件既可節(jié)省PCB面積，又可減少所需的層數(shù)。

Silent Switcher適合廣泛的新基建電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)中心、5G通信系統(tǒng)中涉及到的光網(wǎng)絡(luò)、電信/數(shù)據(jù)通信，以及汽車系統(tǒng)、分布式電源架構(gòu)和一般的中高功率密度系統(tǒng)。

三、充電樁中的高性能隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步讓功率器件開(kāi)關(guān)頻率得到快速有效提升，IGBT從過(guò)去的20k左右提升到現(xiàn)在40k到50k，而氮化鎵（GaN）和碳化硅（SIC）MOSFET器件可以達(dá)到更高的開(kāi)關(guān)頻率。然而，驅(qū)動(dòng)方式是達(dá)到這些開(kāi)關(guān)器件所需開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開(kāi)關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的要求越來(lái)越高，采用的柵極驅(qū)動(dòng)器的傳輸延遲、死區(qū)時(shí)間、共模瞬變抗擾度(CMTI)等指標(biāo)對(duì)提升充電樁功率和效率產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。

為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極，使用專門驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標(biāo)將決定直流模塊的整體功率、效率和系統(tǒng)尺寸，正確選擇這類解決方案非常關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的基于光學(xué)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器相比，ADI提供的iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供了良好的柵極驅(qū)動(dòng)特性和隔離性能。

傳統(tǒng)光耦合隔離的方式傳輸延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)（例如150—200納秒），而iCoupler柵極驅(qū)動(dòng)器傳輸延時(shí)在50—60個(gè)納秒左右，從而大降低減小了傳輸延遲，并且傳輸延時(shí)一致性更好，更低的傳輸延遲和延時(shí)一致性有助于提高開(kāi)關(guān)頻率和效率。此外，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的死區(qū)時(shí)間也是關(guān)鍵特性之一，更低的死區(qū)時(shí)間將有效降低損耗。對(duì)于大規(guī)模部署的充電樁來(lái)說(shuō)，即使零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)效率提升都具有很大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

以ADI最新的iCoupler柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM4136為例：ADuM4136可實(shí)現(xiàn)150 kV/μs的共模瞬變抗擾度(CMTI)，以數(shù)百kHz的開(kāi)關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET；加上去飽和保護(hù)等快速故障管理功能，設(shè)計(jì)人員可以正確驅(qū)動(dòng)高達(dá)1200 V的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET。iCoupler磁隔離的固有優(yōu)勢(shì)使得這些特性明顯優(yōu)于光隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，可以確保充電機(jī)在不犧牲效率的情況下，在功率變換器中實(shí)現(xiàn)超高的功率密度。

此外，從功能安全和用戶人生和財(cái)產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)，良好的隔離性能也非常關(guān)鍵。充電樁的充電機(jī)功能電路中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)揮的隔離功能就非常關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)充電模塊中功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導(dǎo)通路徑，從而提升安全性能。