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工业4.0浪潮正席卷全球制造业向更高发展阶段迈进,而这一过程离不开基础之一的电源技术的支持。在近日adi于北京举办的一场精彩绝伦的power workshop上,adi电源产品中国区市场总监梁再信(lorry)全面为我们诠释了adi对市场需求变化的深刻洞察以及公司如何应对市场挑战。尤其在谈及占据adi电源业务超过40%的工业应用领域时,lorry一开场便着重强调:“工业4.0真正的本质和基础,考虑更多的是如何提供实时的控制、软件可配制的i/o,以及所有这些设备的可靠性、安全性和健康运行等。”

工业4.0应用要实现更高的生产率会需要满足以下几个方面的创新需求:柔性、效率、通信、安全性、可靠性。然而,任何工业产品的应用都离不开电源。在低emi、高功效、小体积这三个维度,adi能够提供非常强大的支持以及一系列创新产品来满足不同工业应用领域电源的安全性和可靠性要求。

图1:adi power by linear“三大维度”助力工业4.0过渡

从输入端就开始降噪、降emi,提升系统整体效率和可靠性

在诸如马达控制等典型的工业控制系统中,在输入端的emi、噪声对整个系统的稳定性都非常关键,与此同时因为现在的系统功耗也是一个问题,为了做合路,过去都会用到二极管,对于高电流的应用来讲,用普通的二极管会有很多的弊端,adi创新地推出了理想二极管方案,并为提升整个系统的安全性和提高效率上做了非常多的工作。

下图中的正高电压理想二极管控制器ltc4357用于驱动一个外部 n 沟道 mosfet 以取代一个肖特基二极管,可实现非常低的压差(mosfet管的导通电阻是非常低),极大提高效率,从而能够有效帮助降低功耗、热耗散、电压损失并缩减 pc 板面积(无需散热片),并提高了可靠性,增强了系统整体效率。

具可调电流限值的双通道 4a 理想二极管ltc4415 则包含两个单片式电源通路 (powerpath™) 理想二极管,各能提供高达 4a 的电流,并具 50mω 的典型正向导通电阻。在低电流条件下,二极管电压降在正向导通期间被调节至 15mv,从而扩大了电源工作范围并确保在电源切换过程中不会产生振荡。从 out 流至 in 的反向电流小于 1μa,因而使得该器件非常适合于电源“或”应用。

图2:输入侧的创新——理想二极管

在工业领域,emi是绕不开的问题,我们无法想象在一个大批量机器人的工厂,因为emi的问题,系统死机了,造成的影响是非常巨大的。系统死机的原因有很多种,其中电磁干扰就是一个重要的原因。

对于很难实现的电源超低emi这一点,lorry举例了采用silent switcher技术的最新一代lt8614芯片。它不仅通过两个反向的电流环路优化磁场闭合路径,同时通过系统环路优化将sw上升沿的振铃控制得非常小,再加上其高度优化的封装工艺,其emi相当低。除此之外,它还极大降低了纹波,解决了噪声问题,将系统的可靠性、稳定性都能做得非常不错。

图3:silent switcher实现超低emi开关电源

lorry介绍说:“在中国机器人、工业控制领域,甚至在汽车领域,大部分客户对silent switcher技术都非常感兴趣,因为在过去,几乎所有工业客户或者汽车客户,光是要解决emi的认证问题都要通过半年的时间去做整改,通过之后才可以上市。silent switcher技术的出现,帮我们客户节省了大半年的时间。”

µmodule:“小即是大”

而在小体积、高性能上,adi以µmodule为主的宽泛高性能模块电源模块产品组合则给业界带来一次又一次“小即是大”的惊喜,并且在adi的电源产品里是非常齐全的系列。

例如,为了处理在特别的工业应用场所电压波动大的情况,adi特别推出了非常宽电压的隔离电源(如下图,其电源宽为20v到540v)。同时为了减小工业客户和板卡设计空间,adi还特别设计出高集成度电源模块。这可以极大地节省客户在器件的采购、生产的可靠性以及物料上的成本。

图4:宽电压范围隔离电源轻松应用工业环境电压波动大的情况

从工业来讲,现在工业设计的密度和板卡的复杂程度越来越高,而且在工业设计里面,人机界面、控制、回路、软件的可靠性、系统的稳定性所花的功夫会越来越多,如何降低客户在工业领域和板卡设计时的难度,加快产品设计的迭代速度,如何帮助客户缩减电源电路板的尺寸和电路设计的复杂程度?一个复杂的系统对工程师来讲是非常麻烦的,adi在10年前出了划时代的电源模块产品µmodule,将过去非常复杂的电源系统集成在一个模块里,客户不需要关注电源的噪声、纹波,只需像ldo那样简单拿过来用就可以了,效率也非常高。

在工业领域,小体积正是人们推动的一个方向,lorry例举了ltm4622,这个超薄的双通道、超薄、2.5a 或单 5a 降压型 dc/dc μmodule 稳压器体积只有6.25mmx6.25mmx1.8mm,提供非常好的性能和输出。而另一个更高集成度的例子是ltm4668,也是针对工业领域,尺寸是 6.25mmx6.25mm,厚度只有2.1mm。电压在基于电流反馈模型对整个环路做控制,adi把不同的输出并联在一起,可以得到不同电流的组合。

图5:module超薄电源模块帮助减小pcb占位和集成更多功能。

这样做的好处是什么?第一对广大的工业客户和板卡设计来讲,不需要准备那么多的器件。从器件的采购、生产的可靠性、物料来讲都可以帮助客户进行节省,对工程师来讲,这是非常灵活的应用和组合。

总之,从工业领域来讲,上述这些优良的集成电路封装工艺和模块化技术能极大地帮助adi的客户灵活地设计系统,进一步提升在系统上的安全性和可靠性,使得adi的工业产品也更加稳定。

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