低噪声+高功率密度 电源行业先进器件和应用
发布时间：2023-9-21 19:44
发布者：eechina
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作者：Excelpoint世健 电源管理可以有效地将电源分配给系统中的不同组件，通过控制和监测电源系统中电压或电流的输入和输出，保证电源系统的安全稳定与高效运行。因此，电源产品性能的优劣会直接影响整个系统的运行效率和使用周期，在电子设备中至关重要。常见的电源管理芯片有线性稳压器（LDO）、电荷泵（charge pump）、DC-DC转换器、AC-DC转换器等，应用领域涵盖消费电子，工业、汽车以及电信设备等几乎所有数字化场景。近年来随着汽车和消费电子等行业的需求迅速增长，电源管理也成为了电子行业增长最快的领域之一。 
ADI电源新技术 P90技术简介 P90是ADI公司的大批量先进电源平台技术，也是目前其电源产品大量应用的工艺。P90工艺最大的优势就是在5V~80V工业电源的应用场合拥有业界领先的RA密度，即晶体管电阻面积（Resistance Area），相同晶体管的条件下面积越小越好，因为这样会降低工业成本，也就是说P90技术实现了高效率和低成本的平衡。 基于P90技术的产品比上一代有更大的提升，比如同样都是90nm的工艺，P90就比S90的晶圆成本低30%，比上一代的S18的晶圆成本低10%。P90工艺兼容1.8V和5V的CMOS工艺，目前的很多产品电压越做越低、电流越做越大，比如目前人工智能等运算量大的应用场合，电流都是几十安培以上，相比之下P90工艺更适合这些低压大电流的场合，同时也可以兼容到和逻辑直接接口的产品。 此外，P90在用于配置参数的电源应用产品，或内置MCU控制器的一些电源类产品可以最高支持32KB集成闪存。值得一提的是，P90目前都是用更高电导率的铜材料作为互联的，可以实现一些电流密度更高、阻抗更低的要求，而且可承受更大的冲击。 Silent Switcher 3 ADI公司的Silent Switcher 技术是开关模式电源问世以来电源领域的先进成果之一。这项降噪技术在许多噪声敏感应用中改善了EMI性能，提高了系统效率、输出纹波性能，缩小了解决方案总体尺寸。ADI的开创性设计社区仍在继续开发Silent Switcher技术，以进一步降低系统噪声水平，不断扩大应用范围覆盖更多领域。 Silent Switcher稳压器可提供新的性能水平，同时具有高效率（高达96%）和低噪声性能，不会影响尺寸，也不需要过多的外部元件。Silent Switcher架构使用专有设计和封装技术，以尽可能在高频率下实现更高效率，提供更低的EMI性能，并通过使用非常紧凑可靠的设计，以便更容易通过CISPR 25 5类EMI 峰值限制。 Silent Switcher解决方案支持高达65 V的输入电压、高达30 A的负载电流，以及最小导通时间短导致的高降压比，适合众多应用，包括工业、仪器仪表和测量、医疗健康、航空航天、通信、汽车、能源、数据中心等。 与ADI合作了三十多年的技术型授权代理商Excelpoint世健多年来基于ADI的产品和解决方案组合，打造了多个贴近客户应用需求的解决方案并获得了市场的认可。针对ADI的储能系统产品，世健结合当前市场，重点推荐一款基于Silent Switcher 3技术的产品LT8625S。 
LT8625S同步降压调节器将超低噪声基准与Silent Switcher架构相结合实现了高效和卓越的低频（0.1Hz~100kHz）输出噪声性能，同时基于最新的Silent Switcher 3架构，最大限度地减少了EMI发射，同时在高开关频率下提供了高效率，是高电流、噪声敏感应用的理想选择。 汽车电源 汽车电源ASIL ASIL（Automotive Safety Integrity Level）是汽车安全完整性等级，最新的ISO 26262标准是以安全相关电子电气系统的特点，基于IEC 61508《安全相关电气/电子/可编程电子系统功能安全》制定的道路车辆功能安全标准，该标准为开发车规产品提供了一个符合ASIL的框架。 ISO 26262是史上第一个适用于大批量量产产品的功能安全（Functional Safety）标准，仅针对安全相关电子电气系统，包含电机、电子与软件零件，不适用于机械、液压等非电子电气系统。 随着越来越多的ECU等电子系统被应用，安全的设计在汽车领域越来越被重视。在自动驾驶主动安全市场的驱动下，影响人类安全的汽车电子系统必须要有很高的功能可靠性，所以通过汽车电子系统生命周期（设计和生产）特殊程序和要求的相关电子电气系统都需要遵循一个标准且完整的功能安全框架（ASIL）。 汽车电源管理 ADI公司专为汽车设计的电源产品覆盖汽车座舱电子和信息娱乐系统、车辆自动驾驶和安全、汽车LED驱动器以及电池管理和动力总成等电气化系统，确保其符合ASIL框架。不同的产品可以实现不同的功能，包括电压调节、直流转换等。 ADI在汽车电源产品有5大战略目标：高性能（高效率、低功耗、低噪声）、ASIL（ADAS解决方案）、联合开发、高功率密度、小型化。正如上面所说，ADI拥有非常全面的汽车电源管理产品。接下来，我们将从无电感（电荷泵）DC/DC转换器、LDO 线性稳压器以及PMIC 和多功能来阐述说明。 
首先，ADI的电荷泵系列提供最广泛的简单紧凑型无电感DC/DC转换器设计，包括降压、升压、降压-升压以及反向等多种子分类。这些转换器可用于升压、降压或反相输入电压。由于不需要电感，这些开关电容转换器可简化设计，且解决方案尺寸很小。此外，通过片内集成扩频技术，大幅降低了输入和输出噪声。 其中，稳压降压型电荷泵系列用于将输入电压递降/降压至较低的调节输出电压。开关电容转换器能够比传统电感切换器提供更小的解决方案尺寸和更简化的设计，同时比线性稳压器提供更高的效率和更低的运行温度。主要特性包括低静态电流、具有自动模式切换功能以保持稳压的多模式操作、高达500mA的Iout、低噪声恒频操作、突发模式（Burst Mode）操作、过温、故障和短路保护。 稳压升压电荷泵系列用于将输入电压提高或提升至更高水平的稳压输出电压。由于不需要电感，与传统的感性开关相比，这些开关电容转换器提供很小的解决方案尺寸和简单设计。主要特性包括低静态电流、具有自动模式切换功能以保持稳压的多模式操作、高达500mA的Iout、低噪声恒频操作、突发模式（Burst Mode）操作、过温、故障和短路保护。 稳压降压-升压电荷泵系列接受高于、等于或低于输出电压的输入电压，并且可用于将输入电压升高或下降至稳定输出电压。由于不再使用电感，这些开关电容转换器可作为开关稳压器拓扑的替代方案，减小解决方案的尺寸并简化设计。主要特性包括低静态电流、具有自动模式切换功能以保持稳压的多模式操作、高达500mA的Iout、低噪声恒频操作、突发模式（Burst Mode）操作、过温、故障和短路保护。 其次，ADI拥有各类高性能低压降（LDO）线性稳压器，这些 LDO 线性稳压器提供极低压差、快速瞬态响应和出色的线路和负载调整，并具有在有线/无线和音频系统、FPGA/DSP/µC 电源以及 RF 和仪器仪表领域的最终应用中增加性能价值的功能，无论是需要低噪声、高 PSRR 还是紧凑封装。 ADI的电源管理IC（PMIC）产品组合了电池充电、电源通路（PowerPath™）控制、以及一个或多个 DC-DC 稳压器，旨在实现针对手持式产品的完整电源解决方案。PowerPath 产品和架构允许从VIN 和电池向负载供电，从而确保较短的充电时间，并为便携式设备设计提供更大的灵活性。它们还可在电池电量耗尽的情况下于系统中实现“即时接通”。其他特点包括用于 USB 和墙上适配器的双路输入、开关稳压器、比较器或 LDO。 工业电源 SIMO SIMO（Single-Inductor Multiple-Output）指的是一种单电感多输出的架构。在传统开关电源设计中，每个开关电源都需要一个外部电感，多路输出就需要多个电感。SIMO既降低了BOM成本，也减小了PCB面积。多路均为开关式输出，因此具有更高的效率，将电能最大限度提供给系统应用而不是被消耗，也会延长系统的工作时间。 SIMO架构为需要较长电池寿命的微型设备提供了出色的解决方案。传统的开关稳压器拓扑中拥有多个电感，这些电感体积大、成本高，对小尺寸产品来说是一个不利因素。线性稳压器速度快、结构紧凑、噪音低，但会产生损耗。将多个低压差稳压器（LDO）与DC-DC转换器混合使用，比单独使用LDO的设计尺寸要大。 SIMO架构能够在较小的设备中实现集成功能，无需使用多个分立元件。通过减少所需电感的数量，同时仍保持开关转换器的效率，SIMO架构几乎是小型超低功耗设计的理想拓扑结构。 
图.SIMO架构框图 电感饱和电流（ISAT）是电感下降一定百分比时的电流，它由给定磁芯材料和结构的电感磁芯尺寸决定。通过将几个电感组合成一个，可以减小所需电感的总体尺寸。SIMO具有以下优点： 1. 进一步节约了成本，减小了尺寸； 2. 可用元件值实现量化； 3. 时分复用：如果一个系统在另一个系统开启时处于关闭状态，它们可以“共享”所需的ISAT； 4. 均值：即使没有专用时隙，电流使用峰值也经常出现在不同的时间。这导致ISAT要求降低。 Excelpoint世健对比发现ADI公司的SIMO转换器提供了兼顾尺寸和损耗考量的优化方案。其架构能够以单个DC-DC的尺寸，提供DC-DC转换器的优势，同时还集成几个LDO。减少电感数量后，无需考虑电感之间的空间，有助于进一步减小总尺寸。 ADI的SIMO电源管理IC系列使用一个电感来提供多个开关降压-升压调节器。高效转换有利于延长电池寿命，超紧凑的尺寸和低物料成本则为空间有限的可穿戴设备、耳机、物联网和其他电池供电的小型消费电子设备提供非常合用的解决方案。 此外，附加的集成功能和特性进一步简化了低功耗便携式设备的设计，是通过集成电池管理（充电器和燃油表）、对噪声敏感的电源轨的LDO输出，以及用于控制上电和关断的板载时序控制器等功能实现的。I2C接口提供完全定制电源管理IC的能力，支持动态电压调节（DVS），以实现进一步节能和自定义的电源使用。 比如新型电源管理IC（PMIC）MAX77650和MAX77651采用微功耗SIMO降压-升压DC-DC转换器设计。PMIC中集成的150mA LDO为噪声敏感型应用提供纹波抑制。在MAX77650/MAX77651中，SIMO通过单个电感提供三个独立可编程电源轨，支持实现创新的电源管理解决方案。与其他分立解决方案相比，高度集成的SIMO架构有助于显著减小整体解决方案的尺寸。 NANOPOWER Nanopower是一种特别的技术，可以使单功能模拟信号IC和混合信号IC消耗的电源电流或静态电流（IQ）低于1μA，帮助大幅降低功耗，从而延长电池的使用寿命。Excelpoint世健发现ADI公司的nanoPower Technology™产品使设计人员可选用更小巧的电池，减少电池充电或更换电池需求，从而延长产品正常运行时间。 电池供电应用继续呈指数增长，包括数量庞大的物联网（IoT）设备、可穿戴设备、健康状态监控器和现场传感器。这些设备突破了技术极限，要求实现更长的运行时间、更低的散热和更小巧的外形。静态电流（IQ）是占空比系统中的主要功耗因素，降低静态电流有助于发挥系统优势。 Excelpoint世健认为，ADI的nanoPower Technology产品消耗的静态电流不到1 μA，使系统能够发挥出色性能，实现更低散热和更长的工作寿命。世健结合当前市场，重点推荐MAX38640–MAX38643系列。 
MAX38640–MAX38643是超低330nA静态电流降压（降压）DC-DC转换器的nanoPower系列，其工作电压为1.8V至5.5V，支持高达175mA、350mA、700mA的负载电流，峰值效率为96%，只有5nA的停机电流。这些器件提供超低的静态电流、小的总解决方案尺寸和整个负载范围内的高效率，因此非常适合电池寿命较长的电池应用。 MAX38640–MAX38643系列采用独特的控制方案，可在宽输出电流范围内实现超低静态电流和高效率。MAX38642不包括停机时的有源放电电阻器，该电阻器允许输出由另一个电源或充电的输出电容器调节或保持高电平。 MAX38640–MAX38643器件提供1.42mm x 0.89mm 6引脚WLP（2 x 3凸块，0.4mm间距），以及2mm x 2mm 6引脚和微型DFN包，所有零件都指定在-40°C至+85°C扩展温度范围。 综上所述，Excelpoint世健认为，ADI公司的电源新技术和解决方案不仅通过先进的设计和封装技术满足严格的电源要求，包括出色的功率密度、超低噪声技术和出色的可靠性，同时也为市场未来的技术创新提供了基础，能帮助市场更好地迎接各类挑战。 |
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