低噪聲+高功率密度 電源行業(yè)先進器件和應(yīng)用

電源管理可以有效地將電源分配給系統(tǒng)中的不同組件，通過控制和監(jiān)測電源系統(tǒng)中電壓或電流的輸入和輸出，保證電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與高效運行。因此，電源產(chǎn)品性能的優(yōu)劣會直接影響整個系統(tǒng)的運行效率和使用周期，在電子設(shè)備中至關(guān)重要。常見的電源管理芯片有線性穩(wěn)壓器(LDO)、電荷泵(charge pump)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、AC-DC轉(zhuǎn)換器等，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋消費電子，工業(yè)、汽車以及電信設(shè)備等幾乎所有數(shù)字化場景。近年來隨著汽車和消費電子等行業(yè)的需求迅速增長，電源管理也成為了電子行業(yè)增長最快的領(lǐng)域之一。

ADI電源新技術(shù)

P90技術(shù)簡介

P90是ADI公司的大批量先進電源平臺技術(shù)，也是目前其電源產(chǎn)品大量應(yīng)用的工藝。P90工藝最大的優(yōu)勢就是在5V~80V工業(yè)電源的應(yīng)用場合擁有業(yè)界領(lǐng)先的RA密度，即晶體管電阻面積(Resistance Area)，相同晶體管的條件下面積越小越好，因為這樣會降低工業(yè)成本，也就是說P90技術(shù)實現(xiàn)了高效率和低成本的平衡。

基于P90技術(shù)的產(chǎn)品比上一代有更大的提升，比如同樣都是90nm的工藝，P90就比S90的晶圓成本低30%，比上一代的S18的晶圓成本低10%。P90工藝兼容1.8V和5V的CMOS工藝，目前的很多產(chǎn)品電壓越做越低、電流越做越大，比如目前人工智能等運算量大的應(yīng)用場合，電流都是幾十安培以上，相比之下P90工藝更適合這些低壓大電流的場合，同時也可以兼容到和邏輯直接接口的產(chǎn)品。

此外，P90在用于配置參數(shù)的電源應(yīng)用產(chǎn)品，或內(nèi)置MCU控制器的一些電源類產(chǎn)品可以最高支持32KB集成閃存。值得一提的是，P90目前都是用更高電導(dǎo)率的銅材料作為互聯(lián)的，可以實現(xiàn)一些電流密度更高、阻抗更低的要求，而且可承受更大的沖擊。

Silent Switcher 3

ADI公司的Silent Switcher® 技術(shù)是開關(guān)模式電源問世以來電源領(lǐng)域的先進成果之一。這項降噪技術(shù)在許多噪聲敏感應(yīng)用中改善了EMI性能，提高了系統(tǒng)效率、輸出紋波性能，縮小了解決方案總體尺寸。ADI的開創(chuàng)性設(shè)計社區(qū)仍在繼續(xù)開發(fā)Silent Switcher技術(shù)，以進一步降低系統(tǒng)噪聲水平，不斷擴大應(yīng)用范圍覆蓋更多領(lǐng)域。

Silent Switcher穩(wěn)壓器可提供新的性能水平，同時具有高效率(高達(dá)96%)和低噪聲性能，不會影響尺寸，也不需要過多的外部元件。Silent Switcher架構(gòu)使用專有設(shè)計和封裝技術(shù)，以盡可能在高頻率下實現(xiàn)更高效率，提供更低的EMI性能，并通過使用非常緊湊可靠的設(shè)計，以便更容易通過CISPR 25 5類EMI 峰值限制。

Silent Switcher解決方案支持高達(dá)65 V的輸入電壓、高達(dá)30 A的負(fù)載電流，以及最小導(dǎo)通時間短導(dǎo)致的高降壓比，適合眾多應(yīng)用，包括工業(yè)、儀器儀表和測量、醫(yī)療健康、航空航天、通信、汽車、能源、數(shù)據(jù)中心等。

與ADI合作了三十多年的技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健多年來基于ADI的產(chǎn)品和解決方案組合，打造了多個貼近客戶應(yīng)用需求的解決方案并獲得了市場的認(rèn)可。針對ADI的儲能系統(tǒng)產(chǎn)品，世健結(jié)合當(dāng)前市場，重點推薦一款基于Silent Switcher 3技術(shù)的產(chǎn)品LT8625S。

LT8625S同步降壓調(diào)節(jié)器將超低噪聲基準(zhǔn)與Silent Switcher架構(gòu)相結(jié)合實現(xiàn)了高效和卓越的低頻(0.1Hz~100kHz)輸出噪聲性能，同時基于最新的Silent Switcher 3架構(gòu)，最大限度地減少了EMI發(fā)射，同時在高開關(guān)頻率下提供了高效率，是高電流、噪聲敏感應(yīng)用的理想選擇。

汽車電源

汽車電源ASIL

ASIL(Automotive Safety Integrity Level)是汽車安全完整性等級，最新的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)是以安全相關(guān)電子電氣系統(tǒng)的特點，基于IEC 61508《安全相關(guān)電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)功能安全》制定的道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為開發(fā)車規(guī)產(chǎn)品提供了一個符合ASIL的框架。

ISO 26262是史上第一個適用于大批量量產(chǎn)產(chǎn)品的功能安全(Functional Safety)標(biāo)準(zhǔn)，僅針對安全相關(guān)電子電氣系統(tǒng)，包含電機、電子與軟件零件，不適用于機械、液壓等非電子電氣系統(tǒng)。

隨著越來越多的ECU等電子系統(tǒng)被應(yīng)用，安全的設(shè)計在汽車領(lǐng)域越來越被重視。在自動駕駛主動安全市場的驅(qū)動下，影響人類安全的汽車電子系統(tǒng)必須要有很高的功能可靠性，所以通過汽車電子系統(tǒng)生命周期(設(shè)計和生產(chǎn))特殊程序和要求的相關(guān)電子電氣系統(tǒng)都需要遵循一個標(biāo)準(zhǔn)且完整的功能安全框架(ASIL)。

汽車電源管理

ADI公司專為汽車設(shè)計的電源產(chǎn)品覆蓋汽車座艙電子和信息娛樂系統(tǒng)、車輛自動駕駛和安全、汽車LED驅(qū)動器以及電池管理和動力總成等電氣化系統(tǒng)，確保其符合ASIL框架。不同的產(chǎn)品可以實現(xiàn)不同的功能，包括電壓調(diào)節(jié)、直流轉(zhuǎn)換等。

ADI在汽車電源產(chǎn)品有5大戰(zhàn)略目標(biāo)：高性能(高效率、低功耗、低噪聲)、ASIL(ADAS解決方案)、聯(lián)合開發(fā)、高功率密度、小型化。正如上面所說，ADI擁有非常全面的汽車電源管理產(chǎn)品。接下來，我們將從無電感(電荷泵)DC/DC轉(zhuǎn)換器、LDO 線性穩(wěn)壓器以及PMIC 和多功能來闡述說明。

首先，ADI的電荷泵系列提供最廣泛的簡單緊湊型無電感DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計，包括降壓、升壓、降壓-升壓以及反向等多種子分類。這些轉(zhuǎn)換器可用于升壓、降壓或反相輸入電壓。由于不需要電感，這些開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器可簡化設(shè)計，且解決方案尺寸很小。此外，通過片內(nèi)集成擴頻技術(shù)，大幅降低了輸入和輸出噪聲。

其中，穩(wěn)壓降壓型電荷泵系列用于將輸入電壓遞降/降壓至較低的調(diào)節(jié)輸出電壓。開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器能夠比傳統(tǒng)電感切換器提供更小的解決方案尺寸和更簡化的設(shè)計，同時比線性穩(wěn)壓器提供更高的效率和更低的運行溫度。主要特性包括低靜態(tài)電流、具有自動模式切換功能以保持穩(wěn)壓的多模式操作、高達(dá)500mA的Iout、低噪聲恒頻操作、突發(fā)模式(Burst Mode®)操作、過溫、故障和短路保護。

穩(wěn)壓升壓電荷泵系列用于將輸入電壓提高或提升至更高水平的穩(wěn)壓輸出電壓。由于不需要電感，與傳統(tǒng)的感性開關(guān)相比，這些開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器提供很小的解決方案尺寸和簡單設(shè)計。主要特性包括低靜態(tài)電流、具有自動模式切換功能以保持穩(wěn)壓的多模式操作、高達(dá)500mA的Iout、低噪聲恒頻操作、突發(fā)模式(Burst Mode®)操作、過溫、故障和短路保護。

穩(wěn)壓降壓-升壓電荷泵系列接受高于、等于或低于輸出電壓的輸入電壓，并且可用于將輸入電壓升高或下降至穩(wěn)定輸出電壓。由于不再使用電感，這些開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器可作為開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞奶娲桨?，減小解決方案的尺寸并簡化設(shè)計。主要特性包括低靜態(tài)電流、具有自動模式切換功能以保持穩(wěn)壓的多模式操作、高達(dá)500mA的Iout、低噪聲恒頻操作、突發(fā)模式(Burst Mode®)操作、過溫、故障和短路保護。

其次，ADI擁有各類高性能低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，這些 LDO 線性穩(wěn)壓器提供極低壓差、快速瞬態(tài)響應(yīng)和出色的線路和負(fù)載調(diào)整，并具有在有線/無線和音頻系統(tǒng)、FPGA/DSP/μC 電源以及 RF 和儀器儀表領(lǐng)域的最終應(yīng)用中增加性能價值的功能，無論是需要低噪聲、高 PSRR 還是緊湊封裝。

ADI的電源管理IC(PMIC)產(chǎn)品組合了電池充電、電源通路(PowerPath?)控制、以及一個或多個 DC-DC 穩(wěn)壓器，旨在實現(xiàn)針對手持式產(chǎn)品的完整電源解決方案。PowerPath 產(chǎn)品和架構(gòu)允許從VIN 和電池向負(fù)載供電，從而確保較短的充電時間，并為便攜式設(shè)備設(shè)計提供更大的靈活性。它們還可在電池電量耗盡的情況下于系統(tǒng)中實現(xiàn)“即時接通”。其他特點包括用于 USB 和墻上適配器的雙路輸入、開關(guān)穩(wěn)壓器、比較器或 LDO。

工業(yè)電源

SIMO

SIMO(Single-Inductor Multiple-Output)指的是一種單電感多輸出的架構(gòu)。在傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計中，每個開關(guān)電源都需要一個外部電感，多路輸出就需要多個電感。SIMO既降低了BOM成本，也減小了PCB面積。多路均為開關(guān)式輸出，因此具有更高的效率，將電能最大限度提供給系統(tǒng)應(yīng)用而不是被消耗，也會延長系統(tǒng)的工作時間。

SIMO架構(gòu)為需要較長電池壽命的微型設(shè)備提供了出色的解決方案。傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲袚碛卸鄠€電感，這些電感體積大、成本高，對小尺寸產(chǎn)品來說是一個不利因素。線性穩(wěn)壓器速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低，但會產(chǎn)生損耗。將多個低壓差穩(wěn)壓器(LDO)與DC-DC轉(zhuǎn)換器混合使用，比單獨使用LDO的設(shè)計尺寸要大。

SIMO架構(gòu)能夠在較小的設(shè)備中實現(xiàn)集成功能，無需使用多個分立元件。通過減少所需電感的數(shù)量，同時仍保持開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率，SIMO架構(gòu)幾乎是小型超低功耗設(shè)計的理想拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖.SIMO架構(gòu)框圖

電感飽和電流(ISAT)是電感下降一定百分比時的電流，它由給定磁芯材料和結(jié)構(gòu)的電感磁芯尺寸決定。通過將幾個電感組合成一個，可以減小所需電感的總體尺寸。SIMO具有以下優(yōu)點：

1. 進一步節(jié)約了成本，減小了尺寸;

2. 可用元件值實現(xiàn)量化;

3. 時分復(fù)用：如果一個系統(tǒng)在另一個系統(tǒng)開啟時處于關(guān)閉狀態(tài)，它們可以“共享”所需的ISAT;

4. 均值：即使沒有專用時隙，電流使用峰值也經(jīng)常出現(xiàn)在不同的時間。這導(dǎo)致ISAT要求降低。

Excelpoint世健對比發(fā)現(xiàn)ADI公司的SIMO轉(zhuǎn)換器提供了兼顧尺寸和損耗考量的優(yōu)化方案。其架構(gòu)能夠以單個DC-DC的尺寸，提供DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢，同時還集成幾個LDO。減少電感數(shù)量后，無需考慮電感之間的空間，有助于進一步減小總尺寸。

ADI的SIMO電源管理IC系列使用一個電感來提供多個開關(guān)降壓-升壓調(diào)節(jié)器。高效轉(zhuǎn)換有利于延長電池壽命，超緊湊的尺寸和低物料成本則為空間有限的可穿戴設(shè)備、耳機、物聯(lián)網(wǎng)和其他電池供電的小型消費電子設(shè)備提供非常合用的解決方案。

此外，附加的集成功能和特性進一步簡化了低功耗便攜式設(shè)備的設(shè)計，是通過集成電池管理(充電器和燃油表)、對噪聲敏感的電源軌的LDO輸出，以及用于控制上電和關(guān)斷的板載時序控制器等功能實現(xiàn)的。I2C接口提供完全定制電源管理IC的能力，支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)，以實現(xiàn)進一步節(jié)能和自定義的電源使用。

比如新型電源管理IC(PMIC)MAX77650和MAX77651采用微功耗SIMO降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計。PMIC中集成的150mA LDO為噪聲敏感型應(yīng)用提供紋波抑制。在MAX77650/MAX77651中，SIMO通過單個電感提供三個獨立可編程電源軌，支持實現(xiàn)創(chuàng)新的電源管理解決方案。與其他分立解決方案相比，高度集成的SIMO架構(gòu)有助于顯著減小整體解決方案的尺寸。

NANOPOWER

Nanopower是一種特別的技術(shù)，可以使單功能模擬信號IC和混合信號IC消耗的電源電流或靜態(tài)電流(IQ)低于1μA，幫助大幅降低功耗，從而延長電池的使用壽命。Excelpoint世健發(fā)現(xiàn)ADI公司的nanoPower Technology?產(chǎn)品使設(shè)計人員可選用更小巧的電池，減少電池充電或更換電池需求，從而延長產(chǎn)品正常運行時間。

電池供電應(yīng)用繼續(xù)呈指數(shù)增長，包括數(shù)量龐大的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、健康狀態(tài)監(jiān)控器和現(xiàn)場傳感器。這些設(shè)備突破了技術(shù)極限，要求實現(xiàn)更長的運行時間、更低的散熱和更小巧的外形。靜態(tài)電流(IQ)是占空比系統(tǒng)中的主要功耗因素，降低靜態(tài)電流有助于發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢。

Excelpoint世健認(rèn)為，ADI的nanoPower Technology產(chǎn)品消耗的靜態(tài)電流不到1 μA，使系統(tǒng)能夠發(fā)揮出色性能，實現(xiàn)更低散熱和更長的工作壽命。世健結(jié)合當(dāng)前市場，重點推薦MAX38640–MAX38643系列。

MAX38640–MAX38643是超低330nA靜態(tài)電流降壓(降壓)DC-DC轉(zhuǎn)換器的nanoPower系列，其工作電壓為1.8V至5.5V，支持高達(dá)175mA、350mA、700mA的負(fù)載電流，峰值效率為96%，只有5nA的停機電流。這些器件提供超低的靜態(tài)電流、小的總解決方案尺寸和整個負(fù)載范圍內(nèi)的高效率，因此非常適合電池壽命較長的電池應(yīng)用。

MAX38640–MAX38643系列采用獨特的控制方案，可在寬輸出電流范圍內(nèi)實現(xiàn)超低靜態(tài)電流和高效率。MAX38642不包括停機時的有源放電電阻器，該電阻器允許輸出由另一個電源或充電的輸出電容器調(diào)節(jié)或保持高電平。

MAX38640–MAX38643器件提供1.42mm x 0.89mm 6引腳WLP(2 x 3凸塊，0.4mm間距)，以及2mm x 2mm 6引腳和微型DFN包，所有零件都指定在-40°C至+85°C擴展溫度范圍。

綜上所述，Excelpoint世健認(rèn)為，ADI公司的電源新技術(shù)和解決方案不僅通過先進的設(shè)計和封裝技術(shù)滿足嚴(yán)格的電源要求，包括出色的功率密度、超低噪聲技術(shù)和出色的可靠性，同時也為市場未來的技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)，能幫助市場更好地迎接各類挑戰(zhàn)。