取舍之道贵在权衡，ADI两大高性能电源技术诠释如何破局多维度性能挑战

电气化社会下电源无处不在，不同种类的电源技术在最初的发电侧到终端芯片都扮演着重要的角色，一款高度集成的电子产品中电源系统的设计甚至占到了总设计量的50%，导致能耗、效率、辐射和尺寸等等与电源相关的各种问题也成为了各种系统设计中绕不开的挑战。例如美国一家数据中心曾面临停电危机，究其原因是ChatGPT等AI大模型训练量的增加导致现有的数据中心无法负载日益暴涨的电力需求，正如业界所讲“算力的瓶颈是电力”。

面对数智化不断深入，行业应用日趋广泛多元、环境更加极端化，能源相关的问题迫在眉睫，而电源技术作为破局关键将以什么样的高要求与高标准进行突破？对此，长期耕耘在产业一线的ADI亚太区电源市场经理黄庆义先生分享了自己的见解并深度剖析了目前泛在的高性能电源技术发展走向。



既要又要还要，Silent Switcher为电源产品提供标准范式

如何设计一款好的电源产品？“首先，电源作为IC器件，先进的半导体工艺是前提，优秀的电路设计水平是保障。其次，从IC到模块再到最终交付给客户的系统，封装技术与系统集成能力同样至关重要。”黄庆义表示道。另一方面，从性能发展来看，提升效率、减小面积和降低电磁辐射仍是最主要的三大设计维度。在传统的电子产品设计过程中，这三大维度的平衡极具挑战性，通常优化一个参数意味着牺牲一个或多个其他性能。但众所周知，ADI的电源产品一向以小尺寸、高效率和低EMI著称。


效率、尺寸与噪声上的极致追求是高性能电源技术发展永恒的趋势

如今电子设备已经成为了现代人日常生活必不可少的一部分，但同样也带了不良影响比如电源产生的电磁辐射对健康的潜在危害。此外，电磁辐射还会对设备本身造成损害，影响设备内部元器件工作性能，甚至可能导致系统崩溃。业界也一直在寻求突破，要在电源系统的设计上最大程度降低电磁辐射并且保证最大转换效率。对此，ADI的Silent Switcher技术通过在集成单片DC/DC转换器中实现了部分改进和巧妙的设计理念，消除了在几大要素间进行权衡的难题。

“电磁辐射/噪声——相信没有什么能比这几个字更让电源设计工程师焦虑了，它来自哪里、怎么消除是整个行业‘亘古不变’的讨论话题。”黄庆义表示。通常，导致电磁噪声和开关振铃的是开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生电感。当电路开关时，开关节点波形就会出现明显的振荡，这就是一项产生EMI的因素。单纯减少该噪声也并不难，传统方式是减慢MOSFET开关边缘速率，通过减慢内部开关驱动器或从外部添加缓冲器就可以实现。但这会导致新的问题，由于增加了开关损耗，转换器的效率会降低。



因此要想有效减少EMI并改进功能，需要尽量减少电流回路的辐射效应。黄庆义解析，普通的电源是单个电流回路，Silent Switcher采用两个对称分布的输入热回路。根据右手定则，这两个回路产生磁场方向相反，能量相互抵消，从而电气回路对外没有净磁场。因此，Silent Switcher器件无需减慢开关边缘速率，这解决了EMI和效率之间的权衡问题。同时，其架构经过不断的迭代、优化、升级，产品内置了高频回路电容，进一步优化了系统等效感抗以降低开关节点的振铃，缩短MOS死区时间，推动电源转换效率，使无负载静态电流低至2.5μA，同时电源的输出纹波也低至10mV以内。


Silent Switcher 开关节点上的噪声

值得一提的是，Silent Switcher架构使用专有设计和封装技术，能够最大限度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来通过EMC的测试。由于其支持高电压输入、大电流输出以及非常小的最小导通时间，所以在工业、医疗健康、通信、汽车、能源、数据中心等等领域都有不错的表现。

“工业控制领域的客户非常欢迎Silent Switcher技术，因为过去仅是解决EMI的认证问题都要半年的时间。而Silent Switcher技术的出现，能够帮客户节省该部分成本。”黄庆义分享道，“Silent Switcher同样获取了汽车Tier 1和车厂的认可，因为汽车领域电源设计一个重要方向就是极大降低EMI，让车身系统更稳定。”兼顾高效率与EMI特性的Silent Switcher技术是开关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，减小了输出纹波，还进一步有助于缩小解决方案总体尺寸。

多维度适配力Max，μμModule系列成就电源界的“瑞士军刀”

在一些特定的领域需要定制电源，例如沙漠中承受炙烤的5G无线电收发机，要保证其正常运行，意味着组件要够小够轻，电子系统的效率够高，产生的热量就越少，系统才容易保持冷却和正常运行。例如数据中心里正在执行上百万次搜索的服务器群必须具有非常高的功率密度，才能大限度地提高效率，快速传输内容。要为这种场景从头开始设计定制电源会有长周期影响产品上市，使设备造价更高，如果有一种模块化可配置电源将是极好的选择，让设计师可以专注于系统级设计。

ADI电源的另一大特色µModule (微型模块)产品即是这样的选择，作为完整的系统级封装(SiP)解决方案，可最大限度缩短设计时间，并帮助客户缩减电源电路板尺寸和电路设计复杂度，同时还提高了系统的可靠性。“该系列是将组件选择、优化和布局的设计负担从设计师转移到了器件身上，从而缩短了总体设计时间和系统故障排除过程，最终加速了产品上市速度。并且μModule在过去多年的发展过程中衍生了一系列可以匹配目前几乎所有应用的模块。”黄庆义指出。

例如当前数据中心需要大幅增加电力供应，对相配套的电源设计方案提出了诸多挑战。尤其是数据中心的服务器系统的外形尺寸已经固定，要提高ASIC的吞吐量性能则需大幅提高功率密度，而在尺寸限制不变的情况下，开发人员如何帮助提高吞吐能力？以更高的效率和更小的尺寸提供更多功率的µModule系列是极佳选择：随着功率密度的要求越来越高，为了保证输出大电流，此前需要很多个模块并联起来才能实现，现在通过单个模块就能实现。比如µModule新系列产品LTM4681能在22mm x 15mm的面积内输出单路125A或四路31.25A的电流，可满足ASIC、GPU和FPGA等IC的需求，能够轻松为低电压和高电流的先进数字设备供电。


高功率密度的电源模块

另一方面，在外形尺寸的约束下越来越多的功能被纳入PCB，电路板上为其供电所需的总功率水平也在增加，所以散热也很重要。但由于散热空间存在限制，气流量有限，设备的性能和长期可靠性受到挑战。“在许多情况下，由于空间限制，我们的客户只能将电源放在PCB的背面，我们开发超薄的电源模块，常规尺寸1.8mm，最薄可到1.18mm，以便它们既能很容易地放入其中，又能帮助解决空间和密度问题。”黄庆义解释道。

电源优化迭代探索不止，“更小更安静更高效”持续升级

在汽车、工业、通信、能源等领域飞速发展的今天，市场对高性能电源技术的渴求愈演愈烈，业界不乏深耕电源领域的优秀企业。 ADI作为该行业领先者，能够始终凭借自身的高性能电源技术和解决方案引领市场，是源于背后数十年在半导体领域的技术沉淀以及精益求精地不断创新精神。

纵观Silent Switcher技术的发展，最初的Silent Switcher已经满足低电磁辐射、高效率、高开关频率三种需求，无需权衡取舍。但因其需要对非常高要求的布局才能发挥磁场相互抵消的优势，于是为了确保在设计及整个生产过程中的正确布局，Silent Switcher 2诞生，其将电容集成在新LQFN封装内，尽可能靠近芯片放置，将热回路做到最小，从而降低了EMI，也进一步简化了PCB板的布局要求，使得PCB布板更加方便灵活。


Silent Switcher技术的演进路线图

据黄庆义介绍，如今的Silent Switcher 3在过去的基础上又新增了超低噪声设计，包含高增益误差放大器，提供超低EMI辐射和快速瞬态响应，使得它输出的噪声非常接近LDO的水平，同时其封装也进行了很多的优化，使得该系列新品LT8627SP在2 MHz以上的开关频率下也能轻松运行，有助于改善纹波、尺寸、噪声和带宽。值得一提的是，ADI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。


大电流电源模块的演进

另一方面，μModule系列同样如此，在大电流的实现上不断进阶，从2010年时ADI需要12片LTM4601才可以做到144A，到LTM4700问世只需1片就能做到100A，在LTM4681推出之后，甚至在22mm×15mm的面积之内，就能输出单路125A或四路31.25A的电流。同时，厚度还在不断变薄，从LTM4631的1.91mm，到LTM4632的1.82mm, 再到LTM4663的1.3mm，最后甚至到LTM4691的1.18mm, 模块的厚度几乎达到和分立器件的厚度相当的水平。黄庆义举例道：“以光模块为例， 超薄外形的μModule可以安装在电路板的背面，这大大节省了宝贵的PCB面积，简化了电源的设计。”


超薄电源模块的演进

“ADI在电源领域的探索不会停止。此前对美信的并购，也进一步扩充了ADI电源产品组合。”黄庆义最后表示，“确保客户的电子系统以最佳效率、最佳性能运行是ADI的承诺，我们会继续提供创新、高性能的电源方案，为行业发展提供最好的技术支持。”