ADI

作者:Mark Murphy和Pat McGuinness

简介

集成无源器件在我们的行业中并不是什么新事物——它们由来已久且众所周知。实际上,ADI公司过去曾为市场生产过这类元件。当芯片组将独立的分立无源器件或者是集成无源网络作为其一部分包含在内时,需要对走线寄生效应、器件兼容性和电路板组装等考虑因素进行仔细的设计管理。虽然集成无源器件继续在业界占据重要地位,但只有当它们被集成到系统级封装应用中时才能实现其最重要的价值。

几年前,ADI开始推出新的集成无源技术计划 (iPassives™)。ADI旨在通过这项计划提供二极管、电阻、电感和电容等无源元件,从而能够更广泛地涵盖信号链设计,同时克服现有采用无源元件方法的局限性和复杂性。ADI的客户群对具有高效空间尺寸的更完整解决方案的需求,也推动了这项计划的发展。从设计人员的角度来看,iPassives可以被视为一种灵活的设计工具,能够在极短的开发周期内设计出具有同类最佳性能和鲁棒性的系统解决方案。ADI拥有许多信号调理IC,我们拥有的独特硅制造工艺使这些IC能够实现卓越的性能。ADI可以充分利用其现有产品的多样性来生产具有卓越性能特征的即插即用系统,而无需开发高度复杂的集成流程。在高度可定制的网络中将集成无源技术与所有这些现有技术紧密结合,并利用系统级封装技术进行封装,从而可创建完全经过认证、测试和表征的μModule®器件。以前采用板级解决方案的系统现在可以简化为单个器件。从我们的客户角度来看,他们现在可以获得完整的解决方案,具有出色的开箱即用性能,可缩短开发周期并节约成本,而且所有这些都在非常紧凑的封装内实现。

无源技术

现在,我们来简要回顾一下基础知识,回想一下什么是无源元件。无源元件是无需电源供电的器件,它们的电流和电压之间的关系相对简单。这些元件包括电阻、电容、电感、变压器(即有效耦合电感)和二极管。有时电流-电压之间的关系非常简单,就像电阻中电流随电压线性变化一样。对于二极管来说,电流和电压之间也存在直接关系,只是这种关系是指数关系。在电感和电容中,该关系是电流对电压的瞬态依赖性。表1所示为四种基本无源元件定义这些关系的公式:

表1. 主要无源元件的基本公式

无源器件既可以单独使用,也可以串联或并联,是模拟信号处理(RLC用于放大、衰减、耦合、调谐和滤波)、数字信号处理(上拉电阻、下拉电阻和阻抗匹配电阻)、EMI抑制(LC噪声抑制)和电源管理(R用于电流检测和限制,LC用于能量累积)的重要组成部分。

分立元件的局限性

过去,无源元件是分立的,这意味着它们是分别制造的,并且在电路中通过印刷电路板 (PCB) 上的导线或电源轨相连。随着时间的推移,它们沿着三条路径发展演变:更小的尺寸、更低的成本和更高的性能。这些发展现在已经很成熟并经过了优化,但是占位尺寸和高度尺寸意味着分立无源元件总是限制了缩小整体解决方案的面积和体积的努力成效。无源器件通常在一个应用中占物料清单的80%以上,占线路板面积约60%,占整个元件支出约20%。这些因素综合在一起带来了非常复杂的库存控制和存储挑战。

就其本质而言,分立器件是单独处理的元件。尽管可能有一些方法可以确保从某些工艺批次中选择元件,但每个元件仍然具有高度的独特性。然而,当需要非常匹配的元件时,这是一个显著的缺点。对于需要匹配的设备来说,元件之间的独特性和差异性会导致误差,从而降低时间零点的电路性能。此外,在电路的工作温度范围内及使用寿命期间,这种性能下降总是越来越糟糕。

分立无源器件的另一个缺点是各个元件的组装和布线非常耗时,并且还占用很大的空间。这些元件使用焊接工艺连接,一般是通过通孔或表贴封装技术(SMT)组装。通孔是一种比较老的组装技术,它将带引线的器件插入PCB的孔中,任何多余的引线长度都将被折弯并切除,并通过波峰焊将器件的引线连接至PCB互连电源轨。表贴封装帮助实现了更小的无源元件。在这种情况下,在PCB上蚀刻贴装连接图案,将焊锡膏覆盖在图案上,接着使用贴片机来定位放置SMT元件。然后,PCB经过回流焊工艺(其间焊锡膏液化并建立电气连接),并在冷却时,焊锡膏凝固并将SMT元件机械连接到PCB上。这两种组装技术的主要问题是,焊接过程可能非常不可靠,在缺陷目标是每百万分之几的行业中,这一点越来越令人担忧。在确保焊点可靠性方面有几个因素非常重要:焊锡膏的实际成分(现在基本上都是无铅的,因此可靠性降低)、回流焊工艺中的机械稳定性(机械振动可使焊点干燥)、焊锡膏的纯度(任何污染物都会对焊点的可靠性产生负面影响),以及回流焊工艺中的时间与温度。焊锡膏加热的速度如何、实际温度和温度的均匀性怎样以及焊锡膏加热的时间都非常关键。其中的任何变化都可能导致连接焊盘或通孔的损坏,或者也可能引起器件上的机械应力,随着时间的推移而导致故障。

在PCB上采用无源元件的另一个局限是,由于它们板上分布在各处,走线需要很长。这可能会引入未计入的寄生参数,从而使性能和结果的可重复性受限。通常,PCB走线具有大约1 nH/mm自感的长度和电容,取决于线宽和与附近走线的距离。PCB走线的容差导致了寄生参数的变异,所以不仅带来寄生效应的破坏性,而且它们还是不可预测的。在PCB板上缩小容差会增加成本。

无源器件还提供了许多与外界的潜在接触点,这些接触点经手动处理或机器处理可能会引起ESD事件。同样,这对整体可靠性和鲁棒性会造成不利影响和风险。

集成无源器件的优势

在深入探讨集成无源器件相比分立无源器件的优势之前,我们首先概述一下集成无源器件的起源。集成电路现在包含了许多晶体管(实际上是数百万个),它们由精细的金属互相连接在一起。针对模拟类的应用,业界还开发了特殊的工艺,如DAC和ADC中除了晶体管,还包含电阻和电容等无源元件。为了实现这些精密的模拟应用所需的性能,已经开发出质量非常高的无源元件。用来构建集成无源器件的正是这些高质量的无源元件。正如集成电路中包含许多晶体管一样,集成无源器件可以在一个非常小的封装内包含许多高质量的无源元件。与集成电路一样,集成无源器件在大面积衬底(晶圆)上制造,同时生成多个无源网络。

与分立无源元件相比,集成无源器件最引人注目的优势之一是可以实现精确匹配。在制造集成无源网络时,网络内的所有元件都是在相同条件下同时制造的,具有相同的材料,而且由于网络紧凑,基本上是在同一位置。采用这种方式制造的无源元件比分立无源元件更可能具有出色的匹配。为了说明这一点,我们假设有一个应用需要两个匹配的电阻。这些电阻在圆形衬底(如硅晶圆)上制造,如图1所示。由于细微的工艺差异,如电阻薄膜的厚度、薄膜的化学性质、接触电阻等,因此在同一个批次内将存在一定的阻值差异,而在多个批次里差异值更大。在图1所示的例子中,深绿色表示电阻在容差范围的高位值端,黄色表示电阻在容差范围的低位值端。对于标准的分立器件来说,两个电阻中的任意一个都可能来自不同的制造批次,如图中用红色表示的两个单独的电阻。这两个分立电阻之间可观察到的容差范围可能是整个工艺的容差范围,因此匹配较差。对于有特殊的订购限制而言,有可能从同一个批次中选择这两个分立电阻,如图中用蓝色标出的两个单独的电阻。

这两个电阻之间可观察到的容差只会是在同一个批次内的容差范围。虽然这两个电阻之间的匹配将优于随机分立器件的情况,但仍有可能出现某种程度的不匹配。最后,对于集成无源器件,两个电阻来自同一个芯片,如图1黑色所示。这两个电阻之间唯一可观察到的容差是在同一个管芯内的容差范围。因此,这两个电阻之间的匹配将非常出色。此外,使用交叉四边形布局的其他技术和其他方法可以进一步严格限制两个电阻之间的扩散,使元件的匹配达到最佳值。集成无源元件之间的匹配不仅在时间零点比分立无源元件要好得多,而且由于其制造已经很好地耦合,因此在整个温度、机械应力和使用寿命范围内都可保持更好的匹配记录。

图1. 分立电阻与无源电阻的匹配比较。

集成无源器件中的各个元件紧密地放置在一起(实际上在微米范围内),因此,互连寄生参数(如布线电阻和电感)可以保持在极低的水平。在PCB上,由于走线容差和元件放置容差,互连寄生参数可能会发生变化。由于制造工艺中采用微影工艺,因此使用集成无源器件的互连容差和元件放置容差都很小。在集成无源器件中,不仅寄生参数非常小,而且这些为数不多的参数还是可预测的,因此可靠性很高。

通过集成无源器件实现无源网络的小型化,为电路板直接带来小尺寸的优势。这直接使电路板成本降低,并允许在更小的占位空间上实现更多功能和更高性能。使用集成无源器件时,构建多通道系统变得更加实际可行。

集成无源器件的另一个显著优势是其整个布线网络周围的鲁棒性。集成无源器件本质上是在一个完整的单元里一起锻造,用玻璃密封,然后进一步由牢固的塑料封装进行保护,而不需要大量的焊接连接。在集成无源网络中,不存在焊点干燥、腐蚀或元件错位的问题。

集成无源网络密封性能出色带来的另一个优势是,系统中暴露节点的数量大大减少。因此,系统因意外短路或静电放电 (ESD) 事件损坏的可能性显著降低。

维护和控制任何电路板组装的元件库存都是一项非常复杂的任务。集成无源器件在一个器件内包含多个无源元件,大大减轻了客户的物料清单负担,从而降低拥有成本。客户可以获得经过完全测试和充分验证的集成无源网络。这意味着,最终线路板构建的产量得到提高,这不仅可以进一步节省成本,还可以提高供应链的可预测性。

使用ADI的集成无源器件 (iPassives)

如前所述,高质量的无源器件一直是ADI多年来众多产品所实现的电路性能的核心。在此期间,无源器件的范围不断扩大并且质量不断提高,集成无源器件产品组合现在包含大量元件。集成无源器件采用模块化工艺,这意味着只有在需要特定元件时才需要执行生产某种类型无源器件所需的工艺步骤。iPassives网络的构建基本上只需要必需的工艺复杂性,不多也不少。如图2所示,有许多无源构建块可供选择,构建一个集成无源网络就像将所需元件拼装在一起一样简单。

图2. iPassives构建块。

如本文前面所述,集成无源器件与分立无源器件相比具有许多优势。ADI将它们用于μModule器件中,进一步加强了这些优势。这些模块利用了各种集成电路的功能。这些电路通过量身定制的工艺进行制造,所提供的增强性能是无法通过其他任何单一工艺实现的。ADI正在使用iPassives将这些集成电路连接在一起,由此在单个器件内构建完整的精密信号链。图3中的两个μModule器件示例包括数据转换器、放大器和其他元件,通过采用集成无源器件构建的无源增益和滤波网络将它们结合在一起。

图3. 使用iPassives的μModule产品示例

ADI生产高度可定制的精密信号调理系统。采用来自大量经现场验证的IC产品组合的可重复使用的方法,并将其与iPassives的多功能性相结合,从而使开发周期时间和成本都显著下降。这一决定为客户提供了巨大的优势,使客户可以自行利用最先进的性能更快、更高效地进入市场。

结论

乍一看,使用集成无源器件可能只会比其他更成熟的方法显得略微有利。然而,实际优势更为显著,ADI采用iPassives不仅重新定义了可以实现的功能,还重新定义了速度、成本和设计尺寸,使之对客户更为有利。

作者介绍

Mark Murphy [mark.murphy@analog.com]是爱尔兰利默里克精密转换器部的产品营销工程师。他拥有梅里马克学院电子工程学士学位和利默里克大学工商管理硕士学位。

Pat McGuinness [pat.mcguinness@analog.com]是ADI公司的产品工程师,负责在封装应用系统中使用集成无源器件。自1994年加入ADI以来,Pat一直致力于产品产量改进活动、电路设计、器件建模和新工艺开发。在ADI期间,他设计了精密转换器、开关、传感器和无源网络。Pat毕业于科克大学,获得电气与微电子工程学士学位。

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为了应对工业和楼宇自动化、能源系统、军用/航空网络对速度、功能、隔离和性能的需求,ADI公司近日宣布扩充其用于灵活数据速率控制器局域网络(CAN FD)的收发器产品线。电流隔离iCoupler®数字隔离ADM3055E IC系列不仅符合,而且远远超过5 Mbps的行业标准,提供12 Mbps性能以支持未来需求,同时保持与现有CAN和CAN FD设计完全向后兼容。增强型ADM3055E还具有新型低辐射isoPower®隔离式DC/DC转换器以及增强的稳健性,使CAN节点的设计导入更容易,加快产品上市时间,并实现充分安全隔离。

• 查看产品页面和下载数据手册: www.analog.com/pr1107/ADM3055E
• , http://www.analog.com/pr1107/ADM3056E
• , www.analog.com/pr1107/ADM3050E

• 了解有关ADI公司CAN收发器技术和产品的更多信息: http://www.analog.com/pr1107/iCoupler

• 通过在线技术支持社区EngineerZone®联系工程师和ADI产品专家: ezchina.analog.com/community/interface-isolation

新一代CAN FD ADM3055E系列具有很低的环路延迟(最大150 ns)和扩展的共模范围,设计人员可以实现更高的数据速率和更长的电线长度。集成隔离式DC/DC转换器无需为隔离总线侧提供单独的电源。高集成度、易于获得辐射和ESD认证以及集成隔离电源相结合,使设计人员能够最大限度地降低开发成本、减小PC板面积和整体解决方案尺寸,同时避开现有隔离产品和方法的局限性。具有较低隔离额定值的版本即将推出。

ADM3055E系列产品亮点:

• 双层PCB符合EN 55022/CISPR 22 B类辐射标准
• IEC61000-4-2 4级ESD额定值(±8 kV接触放电/±15 kV空气放电)
• CAN总线引脚提供±40 V总线故障保护
• ±25 V共模范围。
• 5V逻辑侧VCC和隔离侧VIO选项,支持1.8V、2.5V、3.3V和5.0V电源

报价与供货

关于ADI公司

Analog Devices, Inc.是全球领先的高性能模拟技术公司,致力于解决最艰巨的工程设计挑战。凭借杰出的检测、测量、电源、连接和解译技术,搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。详情请浏览ADI官网 http://www.analog.com/pr1107

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作者:Ricky Yang

简介

利用ADC、PLL和RF收发器的现代信号处理系统设计通常需要更低的功耗和更高的系统性能。为这些噪声敏感的设备选择合适的电源始终是系统设计人员的难点。这些设计总是需要在高效率和高性能之间做出取舍。

传统上,LDO稳压器通常被用于为那些噪声敏感的设备供电。LDO稳压器能够抑制系统电源中经常出现的低频噪声,并且为ADC、PLL或RF收发器提供干净的电源。但是LDO稳压器通常效率较低,尤其是在LDO稳压器必须将高于输出电压几伏的电源轨降压的那些系统中。在这种情况下,LDO稳压器通常可提供30%至50%的效率,而使用开关稳压器则可实现90%甚至更高的效率。

开关稳压器虽然比LDO稳压器效率更高,但它们的噪声太大,无法在不显著降低ADC或者PLL的性能的同时,直接为它们供电。开关稳压器的噪声源之一是输出纹波,它可能在ADC的输出频谱中表现为明显的信号音或杂散。为避免降低信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR),最大程度地减少开关稳压器的输出纹波和输出噪声非常重要。

为了同时保持高效率和高系统性能,通常需要在开关稳压器的输出端增加一个次级LC滤波器(L2和C2),以减少纹波和抑制噪声(如图1所示)。然而,二级LC输出滤波器也具有相应的缺点。

图1. 带有次级LC滤波器的电流模式降压转换器的电路图。

理想情况下,功率级传输函数的建模为四阶系统,很不稳定。如果再考虑电流环路1的采样数据效应,则完整的控制至输出的传递函数为五阶系统。另一种替代解决方案是检测初级LC滤波器(L1和C1)点的输出电压来稳定系统。然而,当负载电流很大时,由于次级LC滤波器上的压降很大,应用这种方法会导致输出电压调节性能较差,这在某些应用中令人无法接受。

本文提出了一种新的混合反馈方法,能够在应用中采用带有次级LC滤波器的开关稳压器为ADC、PLL或RF收发器提供高效率、高性能的电源,同时在所有负载条件下提供足够的稳定性裕量并保持输出精度。

详文请阅:带有次级LC滤波器的电流模式 降压转换器的建模与控制

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Christoph Käemmerer ADI公司

科技和工业的发展不断将人类进步推向新的高度。技术发展历史上的巨大飞跃(或里程碑)称之为工业革命。现在,我们已经迈入一个新阶段:工业4.0。

第一次、第二次和第三次工业革命分别带来蒸汽动力和水力生产、大规模电气化生产以及计算机技术,第四次革命的重点则转向了数字自动化工厂。企业全面广泛运用数字自动化技术,通过自动控制提高效率。不仅可实现预测性维护,还可以提高产量和供货效率。通过完全联网的操作,可以更好地规划供应路线,降低仓储成本,确保提高利用率。在需求不断上升的时代,机器停机的代价非常高昂。联网控制工厂有利于规划,从而有助于预防生产中断。

工业4.0时代的重点不仅仅是发展新设施。如何继续充分利用和扩充现有基础设施,以实现数字工厂的快速摊销,是从成本角度考虑的另一个重要因素。对于智能工厂的运营者来说,收购成本(越低越好)和是否需要重大结构性变更(最好是不需要)是在成本效益分析中必须评估的重要标准。实现智能工厂的一个关键方面是采用拥有智能处理能力的现场仪器仪表(即所谓的智能变送器)以支持工厂监测和诊断,以及与其他新增现场仪器仪表联网。这些智能变送器可以分布在整个工厂中,不同的传感器可以互连,并且可以对以前没有联网的部件进行监控。

现场仪器仪表是实现工业4.0的通用基本智能单元。这些单元需进行更周详的考虑,以仪器仪表为例,它可以与各种传感器(如电阻温度计、热电偶和压力传感器)配合使用。智能变送器是由当今常用的现场仪器仪表发展而来的智能现场仪器仪表,它完全由环路供电,或者由辅助电源补充供电。智能变送除了所含的其他组件之外,主要利用微处理器,包含使变送器智能化的软件。然而,现场仪器仪表的智能功能并非只能存储在微控制器的软件中。诊断和其他安全功能也可以集成到其他半导体模块(例如,模数转换器ADC)中,这样微控制器就可以包含更多处理软件。智能变送器通常使用标准的4 mA至20 mA的电流环路,这限制了变送器的最大功耗。因此,各个元件的功耗必须受到严格的限制。如果使用低至3.2 mA的报警电流,此限值为3.2 mA。对智能变送器的发展趋势包括低功耗、小尺寸空间、更多功能、更好的性能、安全考虑和预测性维护(图 1)。

图1. 面向工业4.0的智能变送器的发展趋势。

图2. 智能变送器框图。

典型的智能变送器信号链如图2所示。这个仪器包含一个传感器和一个ADC,通常由模拟前端和模拟预处理单元组成。数字信号从ADC经过隔离栅送入微处理器,然后进入接口。在当今的工厂自动化中,通常采用一个4 mA至20 mA接口的2线解决方案。这需要一个数模转化器 (DAC)。可寻址远程传感器高速通道 (HART) 协议允许双向使用该接口。如果控制室也兼容HART,则可以通过HART协议传输更复杂的流程,从而通过现场仪器仪表可实现更多应用。

下文详细介绍了每个元件的作用,并展示了一个特别高效并可节省空间的范例电路。该电路采用ADI公司的模块构建,可满足工业4.0的所有要求,具有高精度、低功耗的特点。图3显示的是电路框图原理图(上图)和实物图片电路图(下图)。

传感器连接至模数转换器;本例中为AD712424位Σ-∆ ADC。该ADC是一个高度集成的模块。它集成了节省空间的模拟前端,无需外部仪表放大器和运算放大器。AD7124可灵活设计为具有4个或8个差分输入,与各种传感器搭配使用。此外,这款ADC具有可编程电源,这一点非常重要,例如,无源温度传感器需要三种不同的电源模式。这使得功耗设计非常灵活多变。输出数据的精度和速率取决于电源模式的选择。因此,现场仪器仪表也有可能在3.2 mA的功率限制以下工作,与功能更强大的微处理器或其他传感器连接以实现并行测量。AD7124还具有各种诊断功能,包括:

* 将所有数据读取/写入有效寄存器
* 仅将有效数据读入寄存器
* 验证电压调节器 (LDO) 彻底去耦
* 验证ADC调制器和滤波器性能是否符合规格
* 验证是否过压或欠压

这些防范措施不仅有助于轻松达到安全设计标准,而且还可以通过HART协议传送信息,提前规划现场仪器仪表的维护工作。由于提高了可用性和降低了维护要求,工业4.0意味着效率的大幅提高。

现场仪器仪表的绝缘是另一个关键因素。绝缘不充分会产生接地回路和过压,这不仅会损坏仪表,而且在通过2线连接传输时,还会损坏连接的可编程逻辑控制器 (PLC)。而良好的绝缘通常能够抗衡环路供电型现场仪器仪表的电流限值;本例中使用的是ADuM1441数字隔离器。低数据速率时,该器件所需功率比以前的解决方案要小很多,因此在给定的功耗限值内可以提供充分的绝缘。

除了AD7124和ADuM1441单元之外,另一个现场仪器仪表元件是微控制器。通常使用基于ARM®的微控制器,如ADuCM3027/ADuCM3029。它们的有源功耗小于38 µA/MHz,是智能变送器的理想之选。ARM微控制器广泛应用于工业领域,同时也非常适合安全相关的应用。ADuCM3027/ADuCM3029还具有AES-128/AES-256加密技术,可以启用额外的安全功能。这些微处理器还集成了智能软件,可通过编程执行诊断,例如对AD7124进行校准以确保现场仪器仪表提供精准的测量。

HART协议允许对现场仪器仪表进行智能设计,而无需太多基础设施要求。它可用于4 mA和20 mA电流环路,当然这需要一个HART主设备和一个HART从设备。用户利用HART可以在现场仪器仪表和PLC之间建立数字连接。这将在控制室和现场仪器仪表之间创建一个智能连接。为了实施HART,需要有一个HART调制解调器连接至兼容HART的DAC。这些器件必须高度集成并且功耗极低。这两个因素—小尺寸和低功耗是实现工业4.0的前提条件。

HAR可以在现有的电流环路上实现数字通信,但需要HART调制解调器将信号调制为干净的电流信号。AD5700超低功耗HART调制解调器专门针对此用途而开发。

现代现场仪器仪表的最后一个主要元件是数模转换器。在工业4.0的场景中,这个器件也必须具有低功耗和高集成度。DAC是整个电路的关键组成部分,要尽量将周边器件集成到DAC中,而不是占用更多PCB空间。为整个现场仪器仪表供电的线性调节器就是一个例子。它还可以与PLC通信,从而执行仪表的控制和监控。AD5421是一个可与HART调制解调器很好地协同工作的DAC。

本文所描述的信号链是兼容工业4.0的环路供电型现场仪器仪表的一种可能设计,可用于压力或温度测量。这个智能变送器可用于智能监测、控制和反馈,特别适合于满足小尺寸空间和低功耗要求。ADI公司的精选模块的能够满足当前和未来的新挑战。

图3. 参考电路的原理图(上图)和实物图片示意图(下图)。

作者简介

自2015年2月至今,Christoph Käemmerer一直在德国ADI公司任职。他于2014年毕业于埃尔朗根-纽伦堡大学,获得物理学硕士学位。他曾在利默里克市ADI公司担任工艺开发实习生。2016年12月培训生项目结束后,Christoph正式成为ADI公司的现场应用工程师,专门针对新兴应用领域。联系方式:
christoph.kaemmerer@analog.com

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Analog Devices. Inc (ADI) 宣布推出 Power by Linear™ LTC3310S,这是一款 5V、10A 低 EMI 单片式同步降压型转换器。该器件的固定频率峰值电流模式架构非常适合要求快速瞬态响应的高降压比应用。LTC3310S 采用具有集成式热环路旁路电容器的 Silent Switcher®2 架构,以实现高效率、小占板面积解决方案 (在高达 5MHz 频率) 和卓越的 EMI 性能。多相操作可实现多个器件的直接并联,以提供较高的输出电流。LTC3310S 的 2.25V 至 5.5V 输入范围可支持众多应用,包括大多数中间总线电压。集成的低导通电阻 MOSFET 可提供高达 10A 的连续负载电流,且热降额极少。0.5V 至 VIN 的输出电压范围非常适合负载点应用,比如高电流/低电压 DSP/FPGA/GPU/ASIC 基准设计。其他主要应用包括光网络、电信/数据通信和汽车系统、分布式电源架构和一般的中高功率密度系统。

• 查看 LTC3310S 产品页面、下载数据手册、申请样片和订购评估板:www.analog.com/cn/LTC3310S

LTC3310S 的 35ns 低最短接通时间可在高频下实现高降压比电源。100% 占空比操作提供了低压差性能。工作频率可同步至一个外部时钟。LTC3310S 的总体基准电压精度在 –40°C 至 125°C 的工作结温范围内为 ±1%。其他特点包括指示输出处于稳压状态的电源良好信号、精准使能门限、输出过压保护、热停机、芯片温度监视器、时钟同步、模式选择和输出短路保护。LTC3310S 采用耐热性能增强型 18 引脚 3mm x 3mm x 0.94mm LQFN 封装。E 级和 I 级器件规格在 –40°C 至 125°C 的工作结温范围内运行。所有版本都有现货供应。更多信息请访问 www.analog.com/cn/LTC3310S

特性概要:LTC3310S

• Silent Switcher 2 架构:超低 EMI 辐射
• 高效率 — 4.5mΩ NMOS 和 16mΩ PMOS
• 宽带宽、快速瞬态响应
• VIN 范围:2.25V 至 5.5V
• VOUT 范围:0.5V 至 VIN
• VOUT 精度:±1%
• 峰值电流模式控制
• 35ns 最短导通时间
• 可编程频率至 5MHz
• 停机电流:1µA
• 精准的 400mV 使能门限
• 输出软启动和电压跟踪
• 电源良好输出
• 芯片温度监视器
• 可通过配置实现功率级并联
• 耐热性能增强型 18 引脚 3mm x 3mm LQFN 封装

价格与供货

Analog Devices 公司简介

Analog Devices, Inc. 是全球领先的高性能模拟技术公司,致力于解决最棘手的工程设计难题。我们使客户能够利用无与伦比的技术进行检测、测量、供电、连接和解读,智能地在现实和数字领域之间架起桥梁,从而了解我们周围的世界。详情请浏览 www.analog.com/cn

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Zachary Pantely ADI公司

设计电池充电器的第一步是从众多可用解决方案中选择电池充电器IC。为了做出明智的决定,设计团队首先必须明确定义电池参数(化学组成、电池单元数量等)和输入参数(太阳能、USB等)。然后,团队必须搜索符合输入和输出参数的充电器,比较大量的数据手册,以确定最佳解决方案。方案选择的过程应允许团队为应用选择最佳解决方案,当然一旦设计参数发生改变,则需重新回到数据手册比较。

如果可以完全跳过此步骤会怎么样呢? 如果设计人员能够专注于应用解决方案,将电池充电器IC视为一个黑匣子,在真正需要生成一个可行的解决方案时才放入实际的IC,那该多好啊。到那时,无论基本设计参数如何,设计人员只需要从现成产品中选取一个通用电池充电器IC即可。即使应用参数发生变化(输入切换、电池类型改变等),现成的电池充电器IC仍然适用。无需重新额外搜索数据手册。

我们通过评估两个截然不同的电池充电器来说明这个问题:

* 设计团队A的任务是设计一个电池充电器,该产品需要太阳能面板输入并为铅酸电池充电。充电器必须是独立的(没有微控制器),但应该具有足够的多样性,可以支持几种不同的太阳能面板型号。他们有一周的时间来完成原理图设计。

* 设计团队B有一个更复杂的充电器项目。他们的设计采用一个5 V USB电源,为一节锂离子电池充电,电流为1.3 A,每节电池的端电压为4.1 V。他们希望在47°C以上时,每节电池的充电电压降至4 V、电流为0.5 A,并且在超过72°C时,充电停止。系统中的微控制器需要知道电池的电压、电流、温度和健康状况。他们也是只有一周的时间完成原理图设计。

事实证明,两个设计团队都可以使用相同的电池充电器IC,而且该器件可以说是两个应用的最佳选择。
好产品、小尺寸

LTC4162 35 V/3.2 A单芯片降压充电器设计简单、功能多样。

LTC4162既可以独立工作,也可以与主控制器一起工作,可提供从基本到复杂的解决方案。功能齐全的I2C遥测系统让用户可以有选择性地监控电池,并可根据电池型号实现自定义充电参数。真正的最大功率点跟踪(MPPT)算法允许充电器针对任何高阻抗源(如太阳能面板)进行优化运行。充电算法根据选择的电池化学组成量身定制:锂离子、LiFePO4或铅酸。这些功能整合在一个4mm × 5mm QFN封装中,典型解决方案的尺寸约为1cm × 2cm。

感受大功率!

千万不要因为小尺寸而小看它。即使只使用集成开关FET,LTC4162也可以支持60 W以上的充电功率。LTC4162可利用芯片温度的内部热量自监控功能调节充电电流,因此,即使在最热的环境或最小的外壳中也从来不会发生过热现象。

PowerPath™ FET(INFET和BATFET)确保系统负载(VOUT)在有输入电压(VIN)时,始终由VIN供电;如果没有VIN,则由电池供电。使用外部N通道FET能够实现低损耗路径,并且不会限制可传递到负载的电流量。

图1. 适合什么样的充电器?这是两个截然不同的电池充电系统:它们可以使用同样的充电器IC吗?

图2. LTC4162的应用电路非常简单,就如同一个功能齐全的开关电池充电器。

遥测和控制

虽然LTC4162可以在没有主控制器的情况下运行,但通过I2C端口仍然可以监控和控制充电的许多面。片内遥测系统实时读取系统与电池电压和电流。可以设置各种限值和警报,在测量值满足某个可配置阈值或进入特定充电状态时通知主控制器。例如,当电池电压降至某个下限值时,常见的设计功能是进入低功耗模式。但是LTC4162不需要微控制器不断轮询电池电压,而是可以进行监控,并在达到这个限值时通知主控制器。此时,主机可以关闭主负载并进入低功耗状态。

图3. LTC4162的集成遥测系统几乎可以满足任何监控和警报要求。

遥测系统还能测量电池串联电阻(BSR),将其作为电池健康状况的指标。可将BSR测量设置为自动运行,并且可以配置警报,在BSR超出自定义的上限值时通知主控制器,此时,主机可以向用户发出需要更换电池的信号。

当输入电源不可用并且系统由电池供电时,LTC4162会自动关闭遥测系统以延长电池寿命。如果仍需要测量,遥测系统可以通过I2C命令强制执行,此时,它进入速率较慢的低功耗遥测模式,每5秒测量一次。如若需要,可以随时将遥测速率设置为高速11ms/读取速率。

这里变得越来越热

LTC4162可实现温度调节型可定制充电器。对于锂基化学组成(锂离子和LiFePO4),LTC4162可采用JEITA温控充电。JEITA规范允许用户设置定制温度范围,在此温度范围中以自定义的电池充电电压和电流为电池充电。这也使设计人员可以决定电池应停止充电的高温和低温。默认的JEITA设置适用于多种电池,无需主机处理器干预,而这一功能使LTC4162能够满足任何电池的温度曲线要求。

图4. 默认的锂离子电池JEITA曲线。

类似地,对于铅酸电池而言,温度补偿算法随着温度的升高会线性降低每个充电阶段的目标电压。这些电压可以通过I2C命令进行失调设置,仅需改变热敏电阻即可修改补偿斜率。

MPPT和输入调节

为了简单起见,许多太阳能电池板的稳压电路将最大功率点电压设定为恒定值。在现实中,VMPP随光照漂移,并且部分遮挡的太阳能面板可能有多个功率峰值。通过扫描与其输入电源相连的面板的整个电压范围,LTC4162先进的最大功率点跟踪(MPPT)算法可以考虑所有变量的影响,始终能设定在最大功率点。除了偶尔扫描太阳能面板的范围外,LTC4162还对输入调节电压进行抖动调整,以不断发现VMPP的微小变化。这些功能无需自定义编程,所以无需修改充电器即可切换面板。输入调节的优势还可延伸至太阳能面板电源以外。例如,许多USB线缆具有大量串联阻抗,这导致汲取电流时充电器输入端的电压下降。LTC4162的欠压限流功能可调节此电流,从而在输入端保持最低电压。

图5. 默认的12 V铅酸电池温度曲线。

图6. 太阳能面板全局扫描。

USB功率传输

LTC4162还兼容USB供电规范,可通过USB Type C线缆提供高达100 W的电源。LTC4162的输入电流限值可配置,以防止输入适配器过载。当输入电流达到限值时,系统负载仍然可以从输入中提取所需功率,但电池充电电流会降低,从而不会超过输入电流限值。对于USB PD而言,这意味着一个LTC4162电路可通过各种电源适配器配置供电。

低功耗运输模式

当产品需要长时间运输或存储时,I2C命令可以将LTC4162置于低功耗状态,从而将电池上的电流消耗降低至约3.5 µA。在此期间,可以选择将电路配置为切断系统负载的电源。IC版本为了简化设计和文档,根据电池的化学组成、充电参数以及默认情况下是否启用MPPT,LTC4162分为不同版本。表1列出了LTC4162的所有可选版本。

表1. 18个IC版本为用户的任何应用提供最适用的器件

每个版本都引脚兼容,可以在原型设计期间与另一个版本互换。LTC4162版本之间可以互换,采用不同化学组成的电池、充电电压或输入电源的产品均可使用相同的电路,从而简化了产品创建。

为简化文档,LTC4162的数据手册基于不同的化学组成分成不同版本。锂离子、LiFePO4和铅酸电池各自有单独的数据手册。

结论

过去,设计团队成员要花一整天的时间阅读各种电池充电器、电源监视器以及太阳能调节器的数据手册,过去还需要花数小时为自定义温度调节型充电算法编写代码,并手动轮询测量以检测何时超出限值,他们现在可能只需考虑有一个通用电池充电器即可。LTC4162将会是最佳选择。

作者简介

Zachary Pantely是ADI公司Power by Linear部门的应用工程师。他目前负责设计和支持演示板,用于展示各种电池充电器、超级电容充电器、多输出降压型器件和能量收集器件的特性。除了硬件工作之外,Zack还参与了GUI和固件编程,用于展示带数字接口产品的功能。他于2015年毕业于马萨诸塞大学洛厄尔分校,主修电子工程和录音技术两个专业。联系方式:zachary.pantely@analog.com

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将网络安全扩展到互联边缘

智能手机的发展开启了互联设备的新趋势,不仅可以执行某种形式的计算和决策,而且还改变了我们与周围世界的关联方式。

这些设备通过网络和云服务互联,可轻松获取与共享信息。为了满足市场需求,互联设备的数量激增,旨在改变和创新我们与世界无缝连接的方式。这种趋势正在改变我们与汽车和工厂的联系,但同时它也使行业集成商面临新的网络安全挑战。在这些市场中,要求运行的可靠性更高,这意味着在扩展互联边缘时将面临独特的网络安全挑战。

例如,汽车不再仅仅是将我们从A地点带到B地点的交通工具。它正在成为一个为我们提供新的方式与世界互动并提高生活品质的平台。这是通过连接和数据共享实现的,例如如何优化电池性能或根据环境变化更新导航。汽车平台正在成为互联和整合服务的一种方式,酷似智能手机的发展潮流,在此环境中要求近乎绝对的安全性、完整性和可访问性。

随着新技术的进步成为提高生产力的催化剂,工业市场也在发生巨变。提高生产力的需求正在改变我们与工厂互操作和互动的方式。以更直观的无缝方式与工厂交互连接的需求正在推动下一次工业革命。伴随工业4.0的发展浪潮,工厂的连接和访问需求日益高涨。随着分析工作进一步向边缘迁移以及不断增加的功能性、自主性和连接性需求,边缘设备需要更强大。工厂设备与传统现场连接点之间的数据链接也必须变得更强大;以提高云端可见性和控制力。在公认的注重稳定性和可用性的行业,对灵活性的需求也在不断增加。

为了以更直观的无缝方式与周围世界实现交互连接,需要不断推出新功能和新技术。然而,同时必然会带来安全性需求。网络安全是需要高可靠性和高安全性的细分市场的主要考虑因素。具有恶意企图的人(通常称为坏人)可能在组织系统的内部或外部,其动机也可能各不相同。对互联设备的威胁既存在于整个网络中,也存在于物理访问中。必需对这些边缘设备采取网络安全措施,有效地解决此类威胁。

ADI公司通过模数转换解决方案来连接现实世界与数字世界。ADI公司在市场上拥有独一无二的优势,可推动网络安全进一步向建立数据的边缘发展。让信号链下游的数据更加可信,用户才能深信数据准确可靠,从而信心满满地基于这些数据做出决策。网络安全是ADI公司战略的重要组成部分,不仅因为它在我们的市场中必不可少,而且因为它是支持我们的客户系统和增加传感器信息价值的催化剂。最终,我们的客户关心的是可信数据。这意味着必须确定测量的准确性和数据的完整性。

为什么网络安全难以理解

网络安全并不总是易于理解,因为它是一个不断变化的复杂问题,它是系统或设备生命周期中每个环节的考虑因素。安全性是一个系统解决方案,系统的安全程度取决于其最薄弱的环节。当今,有大量的网络攻击,随着系统变得越来越复杂,成功的攻击也越来越多。

有很多示例证明薄弱环节会导致系统漏洞。2016年,整个车队的车钥匙被破解,因为过去20年仅使用了四个根密钥。2011年,通过获取在工厂车间创建和存储的生产伪像,高安全性身份令牌被盗用。2017年,黑客通过蜂窝链接潜入了一辆汽车的操作系统,进而能够远程更新操作系统和重写程序。Heartbleed Open SSL缓冲区读取漏洞使20万个活动服务器和设备易受攻击,并且至今仍无法接收安全更新。永远也不会实现绝对的安全,这也进一步说明了为什么网络安全难以理解。随着不断发现新漏洞以及黑客采用新的设备攻击方法,设备和系统必须持续更新以适应安全性要求的变化。

网络安全的环境不断变化及其复杂性使这个问题更难以理解。系统和设备的相互作用提出了一个复杂的安全问题,任何单一解决方案都无法解决这个问题。解决方案需要具有深度防御方式的安全系统架构。过去的方法,例如气隙(air gapped)系统,在当今的互联世界中并不能提供足够的保护,仍可在网络上获取对设备的物理访问。这个问题需要尽可能在设计周期的前期解决,以便通过设计方式来确保安全,采用可应对不断变化和不断增长的威胁的架构和生命周期设计。

在边缘实施网络安全的原因

网络安全传统上被认为是一个IT问题,需要实施良好的网络协议、操作系统与应用程序协议、防火墙、恶意软件防护以及其他旨在防范网络攻击的解决方案。然而,并不总是能就边缘构成达成单方面一致。对于网络提供商而言,通常认为边缘是路由器、网关、个人电脑、平板电脑或其他具有高级功能的设备。在工业自动化领域,它可能是控制泵的驱动器。在当今不断变化的环境中,这些边缘设备正在不断改变,包含了更多功能和更高级别的连接。系统的风险评估也随之改变。有些设备以前可能不需要网络安全,如果不对其采取适当的措施来防范风险,它们可能会成为系统中最薄弱的环节。

在边缘实施网络安全能够让用户对数据更有信心。为了达到最高级别的安全性,必须在信号链中更早地应用安全性设计。通过验证源信号来确保数据未被操纵,从而为基于该数据做出的决策提供了更高的置信度。ADI公司充分利用连接现实世界和数字世界的现有解决方案,在重新定义安全边缘方面具有独特的地位。

复杂性是网络安全的大敌。每1000行代码中,只要有两到三个编码错误,就会为恶意利用系统提供通道。在复杂性最低的点上实施网络安全,提供了一个可以更好地确保安全性得到正确实施的环境。在由边缘设备实现的安全边界内进行安全操作,可让信任链更接近现实世界。在高度复杂的网络中,组织和个人必须不断更新应用程序和配置,以防范最新的威胁。在设备级别,可以限制安全操作的覆盖区域,使之在产品的整个生命周期中变得更易于管理。

通过在信号链中尽早建立可信数据,在现实世界与数字世界连接处实施网络安全,可提供最高级别的安全性。随着IT和OT的融合,网络安全不再只是一个IT网络问题。过去未经过安全加固的设备需要在数据中提供信任根,并且需要根据系统的风险评估和约束来应用安全性能。在边缘证实身份和完整性可以更早地建立对数据的信任,从而更加确信数据是准确的。ADI公司通过重新定义安全边缘并在数据中应用硬件信任根,能够为客户带来独特的价值。

适应市场的网络安全战略

ADI公司是精密检测领域的领导者,在用于做出实时决策的高可靠性设备市场占有很大的市场份额。随着我们的客户不断适应行业的大趋势,努力满足与现实世界互动方式改变的新需求,ADI公司在增强客户信心方面发挥着重要作用。除了提供技术以推动实现超越一切可能的功能外,我们还在努力解决由这些进步的派生需求而产生的问题,而网络安全是我们优先考虑的重点。

当我们评估传统市场时,我们发现这些市场如何看待网络安全以及采用安全解决方案的成熟度存在明显差异。针对防务和政府部门市场,ADI公司拥有强大的安全加密解决方案产品组合。ADI公司通过收购Sypris Electronics获得了网络安全专业技术优势。通过利用这一在国家级加密解决方案中的强大基础,我们正在转向需要高可靠性操作的相邻市场,并推动网络安全解决方案进一步向边缘发展,ADI公司过去一直为这些市场提供精密检测技术。

网络安全技术适用于所有市场,ADI公司的战略是有效评估每个市场的需求,并运用合适的网络安全解决方案,以实现与每个应用的风险评估一致的安全器件架构。很容易理解,在必须实现高可靠性操作并因此拥有更先进的网络安全格局的市场中,满足网络安全需求更艰难。我们的主要目标是解决工业市场问题并开发能够加速采用工业4.0的解决方案。

同样,工业市场也发生过多次严重的攻击。其中某些最重大的攻击是国家级的攻击,以关键基础设施为目标或攻击一些可能造成致命伤害的目标。这些攻击通过侵入系统的恶意软件发起,通常由物理访问连接到工厂网络的控制单元或PLC来实施。随着工业4.0的出现,传统I/O设备开始对操作进行更多的控制,并通过以太网连接到PLC或直接连接到云,攻击点也将会继续进一步向边缘扩展。随着网络上的功能不断扩展并提供更多的功能性连接,在某一点上的边缘设备过去几乎不太会损伤整个系统,如今对系统而言却具有更高的风险。由于在这类市场中的攻击更复杂,正确实施网络安全技术的能力对防范整个系统漏洞尤为重要。这一实施需要进行准确的威胁评估,以了解潜在的攻击点并对安全解决方案进行分层设置,有效提供安全保护。对于边缘设备而言,建立适当的安全边界并启用硬件信任根大大增强了系统安全态势。

ADI公司优先在工业市场领域考虑网络安全战略,因为它需要高可靠性的操作,安全性对这些环境影响重大,并且网络安全问题进一步向边缘推进是大势所趋,而ADI公司在边缘市场占有重要的市场份额。通过将网络安全推向边缘,将有机会在这些市场中实现更安全的系统,这意味着ADI公司的产品将有助于整体系统设计,从而减少威胁影响。我们对新技术的投资不仅旨在提供安全性以抵御当前和未来的威胁,而且还通过解决产品安全的生命周期挑战,使客户将网络安全集成到边缘更简化,从而使我们的客户更轻松地实现网络安全。

作者简介

Erik Halthen作为Sypris Electronics(2016年被ADI公司收购)的一员,对于网络安全解决方案开发积累了丰富的经验。Erik担任ADI公司网络安全卓越中心的市场开发经理兼项目经理,充分发挥其技术专长,领导开发能够满足汽车、工业和物联网的关键市场需求的领先安全解决方案。Erik凭借其在开发和整合全新安全技术方面的团队领导经验,并结合强大的业务背景,与客户紧密合作,共同革新物联网安全从边缘到云的实施方式。联系方式:erik.maclean@analog.com

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