电子产品世界

作为全球高性能电源解决方案领先提供商，ADI 提供了门类宽泛的电源转换和管理 IC 产品库，涵盖5G、数据中心、工业物联网、汽车充电桩、特高压等所有的新基建领域。

这里我们从三个方面进行分享。

ADI公司 电源系统工程总监 梁再信

一、完整的系统级封装电源管理解决方案

以数据中心为例，新基建中多种应用对供电系统都提出了苛刻的要求。今天，数据中心被认为是能源消耗最严重的新基建基础设施之一，减少数据中心的能耗、提高能效对于建设低碳环保绿色社会至关重要。如何提高数据中心能效还便于优化热学设计，降低供电系统尺寸和成本。

此外，稳定可靠电源供应能力是新基建数据中心建设中的一大痛点，特别是在狭小空间内实现各类处理器，像ASIC、CPU、FPGA低至0.6-0.8伏的核心电压与50-800安培超高电流高稳定性供电系统设计的极具挑战性，需要顶级的电源的高可靠性和高效的DCDC转换解决方案来实现。

ADI的µModule^® (微型模块) 产品是完整的系统级封装 (SiP) 解决方案，可最大限度缩短设计时间，并解决工业和医疗系统中常见的电路板空间和安装密度问题。这些 µModule 产品是完整的电源管理解决方案，其在紧凑的表面贴装型 BGA 或 LGA 封装中内置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器。在设计中采用 ADI 的 µModule 产品，最多能使完成设计过程所需的时间锐减 50%（取决于设计的复杂程度）。µModule 系列将组件选择、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，并最终加快了产品上市速度。

µModule 产品系列广泛适合于众多的应用，包括负载点稳压器、电池充电器、LED 驱动器、电源系统管理 (PMBus 数字控制式电源) 和隔离式转换器。µModule 电源产品是高度集成的解决方案，可为每款器件提供 PCB 光绘 (Gerber) 文件，因而能在满足时间和空间限制条件的同时提供一种高效、可靠的解决方案，某些产品还可符合 EN55022 Class B 标准以达到低 EMI 要求。

以µModule 产品系列中的LTM4700 降压型 DC/DC 电源稳压器为例：LTM4700兼具同类产品最高功率和用以降低数据中心基础设施冷却要求的高能效，使得数据中心运营商能够提高其服务器的密度和性能；可提供双路 50A 或单路 100A 配置，采用的创新封装技术实现了在服务器密度增加以及数据中心吞吐量和计算能力提升下，对系统尺寸和冷却成本的影响微乎其微；LTM4700 在 4.5V 至 16V 的输入范围内工作，其输出电压在 0.5V 至 1.8V 的范围内进行数字控制；集成式 A/D 转换器、D/A 转换器和 EEPROM 使得用户能够采用一个 I²C PMBus 接口对电源参数进行数字监视、记录和控制；开关频率同步至一个频率范围为 200kHz 至 1MHz 的外部时钟，以满足那些对噪声敏感的应用；等等。LTM4700 还拥有针对过压和欠压、过流和过温等故障情况的自保护和负载保护功能。

值得一提的是，µModule电源模块解决方案不仅适合当前新基建的数字中心建设，还同样适合汽车、工业在内的广泛系统。

二、低EMI特性的通用电源DC/DC转换器

包括各种新基建相关的产品在内，开关电源获得各种电子系统广泛的应用，在满足系统的高效率、低功耗、小尺寸的同时，这些系统还需要具备能通过诸如CISPR 32和CISPR 25在内的各种抗噪标准的电子辐射要求。

然而，电源被电源设计中空间尺寸、设计时间、效率、EMI行为或瞬态行为等设计参数的平衡极具挑战性，因为优化一个参数意味着牺牲一个或多个其他性能。业界一直在寻求一种办法，通过在集成单片DC/DC转换器中实现了一些通用的改进和巧妙的设计理念，使电源设计人员能够再不牺牲效率、EMI特性或瞬态性能的情况下实现最佳的设计时间和设计空间。而Silent Switcher就是这样的转换器改进和巧妙设计理念的应用，它是ADI从工程物理的角度实现的突破和创新，它在芯片设计上做了两个反向的电优化，产生闭合的磁力线，减小对外界EMI的干扰，几乎消除了不可预测且难以滤波的高频噪声。同时，利用倒装的方式替代传统的用金线去绑定内核的方式，从而缩减电流，让EMI降到最低。通过Silent Switcher技术，可以轻松满足CISPR25 EMI标准，而无需做太多优化。第二代Silent Switcher 增加了内部旁路电容器和集成度，进一步改善了对PCB布局不敏感的EMI，简化了设计，即使使用双层PC板也能降低性能风险。

Silent Switcher技术有效地实现了以下电源设计的关键特性，从而其功能和优势将使开关模式电源设计更容易满足CISPR 32和CISPR 25等各种抗噪标准要求：

●  能够在大于2 MHz开关频率下进行高效转换，并且对转换效率的影响最小。

●  内部旁路电容减少EMI辐射并提供更紧凑的解决方案占板空间。

●  采用Silent Switcher 2技术基本上消除了PCB布局的敏感性。

●  可选展频调制有助于降低噪声敏感度。

●  使用Silent Switcher器件既可节省PCB面积，又可减少所需的层数。

Silent Switcher适合广泛的新基建电源系统设计，包括数据中心、5G通信系统中涉及到的光网络、电信/数据通信，以及汽车系统、分布式电源架构和一般的中高功率密度系统。

三、充电桩中的高性能隔离式栅极驱动器

半导体技术的进步让功率器件开关频率得到快速有效提升，IGBT从过去的20k左右提升到现在40k到50k，而氮化镓（GaN）和碳化硅（SIC）MOSFET器件可以达到更高的开关频率。然而，驱动方式是达到这些开关器件所需开关频率的关键，而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高，采用的栅极驱动器的传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率产生关键的影响。

为了操作MOSFET/IGBT，通常须将一个电压施加于栅极，使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸，正确选择这类解决方案非常关键。与传统的基于光学隔离式栅极驱动器相比，ADI提供的iCoupler隔离式栅极驱动器提供了良好的栅极驱动特性和隔离性能。

传统光耦合隔离的方式传输延时时间长（例如150—200纳秒），而iCoupler栅极驱动器传输延时在50—60个纳秒左右，从而大降低减小了传输延迟，并且传输延时一致性更好，更低的传输延迟和延时一致性有助于提高开关频率和效率。此外，隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一，更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说，即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。

以ADI最新的iCoupler栅极驱动器ADuM4136为例：ADuM4136可实现150 kV/µs的共模瞬变抗扰度(CMTI)，以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET；加上去饱和保护等快速故障管理功能，设计人员可以正确驱动高达1200 V的单个或并联SiC MOSFET。iCoupler磁隔离的固有优势使得这些特性明显优于光隔离栅极驱动器，可以确保充电机在不牺牲效率的情况下，在功率变换器中实现超高的功率密度。

此外，从功能安全和用户人生和财产安全来说，良好的隔离性能也非常关键。充电桩的充电机功能电路中的隔离式栅极驱动器发挥的隔离功能就非常关键，实现充电模块中功能电路之间的电气分离，使得它们之间不存在直接导通路径，从而提升安全性能。

关键词： 电源 DC/DC 特高压