ADI

Aldrick Limjoco、Patrick Pasaquian和Jefferson Eco ADI公司

高速模数转换器(ADC)的发展已经达到每秒千兆次采样(GSPS)水平,并且可用带宽也相应增加。这些性能的改进带来了许多挑战,其中一项就是对电源的要求更加复杂。例如,AD9625是一款2.6 GSPS的ADC,它需要7个独立的电源轨,分为3种电压:1.3 V、2.5 V和3.3 V。

完整的ADC电源系统必须具有高效率,适合放入空间拥挤的PCB,并且产生的输出噪声可与负载敏感度相匹配。平衡这些要求(通常彼此冲突)是系统设计人员面临的最主要的参数优化问题。通常,解决这个问题的办法是将开关稳压器(噪声大但效率高)与低压差(LDO)后级稳压器相结合,这样效率虽然相对较低,但是能够减少电源噪声。图1是一个典型系统的框图。

遗憾的是,效率与噪声性能的优化通常会增加系统的复杂性。图2是采用μModule® Silent Switcher®稳压器的替代性电源系统。这一解决方案为ADC提供低噪声供电,而且比传统解决方案效率更高。

图1. 采用开关稳压器和LDO稳压器的GSPS ADC基准电源设计(传统设计)

图2. 传统开关稳压器和LDO电源系统(如图1所示)的替代方案。该设计采用两个LTM8065 µModule Silent Switcher稳压器直接为AD9625供电。这种设计噪声低、更紧凑、更高效(未经滤波的LTM8065设计)。

详文请阅:Silent Switcher µModule稳压器为GSPS采样 ADC提供低噪声供电,并节省一半空间

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Tony Armstrong和Steve Knoth ADI 公司

在当今持续运转的世界里,无论外部环境或运行条件如何,许多电子系统持续运行是常见现象。换句话说,系统电源的任何故障,无论是瞬时、以秒计还是以分钟计的故障,都必须在设计过程中加以考虑。处理此类情况的最常见的方式是使用不间断电源(UPS)来弥补这些短暂的停机时间,从而确保系统以高可靠性连续运行。同样,当今有许多应急和备用系统用来为楼宇系统提供备用电源,以保证安保系统和关键设备能够在断电期间(无论根本原因是什么)保持运行。

我们日常生活中使用的无处不在的手持电子设备中可以很容易找到一些明显的例子。由于可靠性至关重要,手持设备采用轻便电源精心设计,可在一般条件下可靠使用。但是,再精心的设计也无法防止人们的误操作。例如,手持便携式扫描设备从工厂工人手中掉下,导致其电池摔出来。这些事件在电子学上是不可预测的,如果没有某种形式的安全网——即某种短期电力保持系统,其中储存有足够的能量来提供备用电源,直到电池被更换或数据存储到永久性存储器中——存储在易失性存储器中的重要数据将会丢失。

此例清楚地说明了电子系统需要其他形式的电源,以便在主电源中断时有电可用。

在汽车电子系统中,有许多应用需要用到连续电源,哪怕汽车处于驻车状态(发动机未运转),例如遥控无钥匙进入、安全、甚至个人信息娱乐系统。这些系统通常包含导航、GPS定位和eCall功能。很容易理解为什么这些系统即使在汽车不行驶时也必须保持开启,因为这些系统的GPS必须始终在线以用于紧急和安全目的。这是必然的要求,以便在必要时可由外部操作员激活基本控制。

考虑eCall系统(以美国通用汽车公司的OnStar®系统为例),其在全球的新车上越来越普遍,许多制造商的各系车型上均已装备这种系统。事实上,欧洲强制性要求2018年3月31日之后出售的所有新车和轻型卡车都必须装备此类系统。这是一项相当简单的技术:当发生碰撞,汽车安全气囊打开时,eCall系统自动联络应急服务。它通过GPS将时间、位置、汽车类型和所用燃油种类传递给有关机构。同时在该系统激活后,您可以利用汽车中的麦克风与呼叫处理人员直接通话。eCall系统可以告知事故发生时您沿哪个方向行驶,以便有关机构知道需要从道路哪一边进入事故现场。所有这一切让救护车、警察和消防员能够在事发后尽快到达现场,并掌握尽可能多的信息。个人通过按下按钮也可以激活eCall,因此如果有人生病(或在碰撞中受伤,但安全气囊未打开),仍然可以轻松呼叫帮助。

储存介质

了解众多系统需要备用电源后,随之而来的问题是:此类备用电源的储存介质有哪些选择?传统选择是电容和电池。

可以说,电容技术在电力传输和配送应用中发挥重要作用已有数十年之久。例如,传统的薄膜和油基电容的设计能实现很多种功能,包括功率因数校正和电压平衡等。但是,过去十年中进行了大量的研究和开发,使得电容设计和容量有了显著进步。这些先进的电容被称为超级电容,非常适合用于电池储能和备用电源系统。超级电容的总储能量有限,但其能量密度非常高。此外,超级电容具有快速释放高能量并快速充电的能力。

超级电容不仅结构紧凑,而且稳健可靠,可满足备用电源系统的要求,应对上面所说的短期电源丧失事件。另外,超级电容很容易并联或串联堆叠,甚至采取串并联组合,为最终应用提供必要的电压和电流。然而,超级电容不仅仅是具有非常大容值的电容器。与标准陶瓷电容、钽电容或电解电容相比,同样尺寸和重量的超级电容具有更高的能量密度和更大的电容。虽然超级电容需要特殊维护,但在需要高电流/短时备用电源的数据存储应用中,其超越甚至可以替换电池。

此外,超级电容还可用于各种需要高突发电流或短暂备用电池的高峰值功率和便携式应用中,例如UPS系统。与电池相比,超级电容以更小的尺寸提供更高的突发峰值功率,并且充电循环次数更多,工作温度范围更宽。通过降低超级电容的上截止电压并避免高温(> 50°C),可以最大限度地延长超级电容的使用寿命。

另一方面,电池可以储存大量能量,但在功率密度和输送方面有局限性。电池内部会发生化学反应,故其充电循环次数很有限。因此,如果要在较长时间里输送适量功率,那么电池最有效,而让电池非常迅速地输出大电流,则会严重缩短其有效使用寿命。表1总结了超级电容、普通电容和电池的优缺点。

表1. 超级电容与普通电容和电池的特性比较

新型备用管理器电源解决方案

现在我们已经明确,超级电容、电池和/或二者的组合可以用作几乎所有电子系统的备用电源,那么有哪些解决方案可用呢?

首先,任何IC解决方案都会需要一个完整的锂离子电池备用电源管理系统,其必须能够在主电源发生故障时让3.5 V至5 V电源轨保持供电。电池提供的能量比超级电容要多很多,因此需要备用电源长时间供电的应用使用电池更合适。相应地,任何IC解决方案都会需要片内双向同步转换器,以便对备用电池高效率充电;如果主电源轨发生中断,它还能向下游负载提供高电流备用电源。因此,当外部电源可用时,该器件将用作单节锂离子或LiFePO4电池的降压电池充电器,同时赋予系统负载以优先权。然而,如果输入电源突然降至可调电源失效输入(PFI)阈值以下,该IC将需要充当升压调节器,以从备用电池向系统输出提供几安培的电流。因此,如果发生电源故障,该IC将需要执行电源路径控制,以提供反向阻断并在输入电源和备用电源之间无缝切换。这种IC的典型应用包括车队和资产跟踪、汽车GPS数据记录器、汽车远程信息处理系统、收费系统、安全系统、通信系统、工业备用电源及USB供电设备。图1显示了采用ADI公司Power by Linear™ LTC4040锂离子电池备用管理器的典型应用原理图。

图1. 采用LTC4040且使用用户设置PFI阈值的备用电源。

LTC4040还有可选的过压保护(OVP)功能,通过外部FET保护IC免受高于60 V的输入电压的影响。其可调输入限流功能支持采用限流电源供电,同时系统负载电流优先于电池充电电流。外部断开开关在备用电源供电期间将主输入电源与系统隔离开来。LTC4040的2.5 A电池充电器提供8种针对锂离子电池和LiFePO4电池优化的可选充电电压。该器件还具有输入电流监控功能、输入电源丧失指示器和系统电源丧失指示器。

与电池类似的是超级电容。然而,超级电容不支持主电源长时间丧失的场合,但它是需要高功率、短时间备用电源的系统的出色选择。因此,任何支持此类应用的IC通常都需要能够在主电源中断期间支持2.9 V至5.5 V电源轨。众所周知,超级电容的功率密度高于电池,这使其成为短时间内需要高峰值功率备用电源的系统的理想选择。举例来说,ADI公司Power by Linear产品线中的LTC4041使用片内双向同步转换器,提供高效率的降压超级电容充电,以及高电流、高效率的升压备用电源。当外部电源可用时,该器件用作一个或两个超级电容单元的降压电池充电器,同时赋予系统负载以优先权。当输入电源降至可调PFI阈值以下时,LTC4041切换到升压工作模式,可以从超级电容向系统负载提供最高2.5 A的电流。在电源故障期间,该器件的PowerPath™控制功能提供反向阻断以及从输入电源到备用电源的无缝切换。LTC4041的典型应用包括穿越“致命故障”(dying gasp)电源、高电流穿越3 V至5 V UPS、功率计、工业报警器、服务器和固态驱动器。图2显示了一个典型LTC4041应用原理图。

图2. LTC4041超级电容备用电源应用原理图。

LTC4041有一个可选的OVP功能,使用外部FET来保护IC免受高于60 V的输入电压的影响。内部超级电容平衡电路使每个超级电容上的电压保持相等,并将每个超级电容的最大电压限制在预定值。其可调输入限流功能支持采用限流电源供电,同时系统负载电流优先于电池充电电流。外部断开开关在备用电源供电期间将主输入电源与系统隔离开来。该器件还具有输入电流监控功能、输入电源失效指示器和系统电源失效指示器。

结论

如果要求系统必须持续可用,即便主电源失效或短暂中断也不能停机,那么提供备用电源永远是明智选择。幸运的是,有很多IC选择可供设计人员考虑以满足特定需求,包括LTC4040/LTC4041备用管理器。当主电源中断或丧失时,此类IC很容易让备用电源发挥作用,无论其储存介质是超级电容、电解电容器还是电池。LTC4040和/或LTC4041具有为终端系统提供备用电源的功能,无论是瞬时突发供电还是长时间供电。因此,请确保您的系统在需要时有合适的备用电源可用。明白了吧?

作者简介

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear产品部门的产品营销总监。他负责电源转换和管理产品从上市到停产的所有事务。加入ADI之前,Tony在Linear Technology(现为ADI公司一部分)、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel担任过营销、销售和运营方面的不同职位。他毕业于英格兰曼彻斯特大学,获得应用数学(荣誉)学士学位。联系方式:anthony.armstrong@analog.com

Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部门的高级产品营销工程师。他负责所有电源管理集成电路(PMIC)产品、低压差稳压器(LDO)、电池充电器、电荷泵、基于电荷泵的发光二极管驱动器、超级电容器充电器、低压单片开关稳压器和理想二极管器件。Steve从1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor担任过不同营销和产品工程职位,之后于2004年加入Linear Technology(现为ADI公司一部分)。他于1988年获得圣何塞州立大学电气工程学士学位,并于1995年获得该大学物理学硕士学位。2000年,Steve还获得了凤凰城大学技术管理硕士学位(MBA)。除了与孩子们共度美好时光之外,Steve还喜欢玩弹球/街机游戏或肌肉车,以及购买、销售、收藏古董玩具和电影/体育/汽车纪念品。联系方式:steve.knoth@analog.com

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Tony Armstrong ADI 公司

在功率谱的中低端存在一些不太大的功率转换要求,这在物联网(IoT)设备之类的应用中很常见。这些应用需要使用能够处理适度电流水平的功率转换IC。电流通常在数百毫安范围,但如果板载功率放大器为了传输数据或视频而存在峰值功率需求,那么电流量可能更高。因此,随着支持众多物联网器件的无线传感器的激增,业界对专门用于空间和散热受限器件的小型、紧凑、高效功率转换器的需求在不断增加。

然而,与其他很多应用不同,许多工业和医疗产品对可靠性、尺寸和稳健性通常有着更高的标准。正如大家所料,相当部分的设计负担落在了功率系统及其相关支持器件上。工业甚至医疗物联网产品必须正常运行并在多个电源(如交流电源插座和备用电池)之间无缝切换。此外,必须竭尽全力防止故障,同时在由电池供电时须最大程度延长工作时间,以确保无论存在什么电源,系统都能可靠地正常工作。因此,这些系统内部使用的功率转换架构必须鲁棒、紧凑且散热需求极低。

电源设计的考虑

工业物联网系统设计人员在集成无线传输功能的系统中使用线性稳压器并不罕见。主要原因是其EMI和噪声极低。尽管如此,虽然开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器,但前者的效率要优越得多。已经证明,如果开关稳压器的行为可预测,那么许多敏感应用中的噪声和EMI水平是可管理的。如果开关稳压器在正常模式下以恒定频率开关,并且开关边沿干净、可预测且没有过冲或高频振铃,那么EMI将极小。此外,小封装尺寸和高工作频率可以提供小而紧凑的布局,从而最大限度地降低EMI辐射。而且,如果稳压器可以与低ESR陶瓷型电容一起使用,则输入和输出电压纹波(这是系统中的额外噪声源)可以最小化。

当今工业和医疗物联网设备的主输入电源通常是来自外部AC-DC适配器和/或电池组的24 V或12 V直流电源。然后,此电压通过同步降压转换器进一步降低到5 V和/或3.x V电压轨。尽管如此,经过这些医疗物联网设备内部调节后的供电轨数量却在增加,而工作电压持续降低。因此,其中许多系统仍然需要3.x V、2.x V或1.x V电压轨,用于为低功耗传感器、存储器、微控制器内核、输入/输出和逻辑电路供电。然而,用于数据传输的内部功率放大器可能需要最高0.8 A电流能力的12 V电压轨,以将任何记录的数据传输到远程集中式集线器。

传统上,该12 V电压轨由升压开关稳压器提供,需要专门的开关模式电源设计知识和技能,并且占用印刷电路板(PCB)上相当大的面积。

新型紧凑式升压转换器

ADI公司的µModule®(微型模块)产品是完整的系统化封装(SiP)解决方案,可最大限度地缩短设计时间,解决工业和医疗系统中常见的电路板空间和密度问题。这些µModule产品是完整的电源管理解决方案,在紧凑型表贴BGA或LGA封装内集成DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿组件和电感。利用ADI公司µModule产品进行设计可以将完成设计过程所需的时间减少多达50%,具体取决于设计的复杂程度。µModule系列将元件选型、优化和布局等设计负担从设计人员转移到器件上,可缩短整体设计时间,减少系统故障,最终加快产品上市时间。

此外,ADI公司的µModule解决方案将分立式电源、信号链和隔
离设计中常用的关键元件集成在紧凑的IC式外形尺寸中。在ADI
公司严格的测试和高可靠性流程的支持下,µModule产品系列简
化了功率转换的设计和布局。
µModule系列产品涵盖了广泛的应用,包括终端负载稳压器、电
池充电器、LED驱动器、电源系统管理(PMBus数字管理电源)
和隔离式转换器。作为高集成度解决方案且每个器件都提供
PCB Gerber文件,µModule电源产品可在满足时间和空间限制的
同时提供高效率、高可靠性,某些产品还提供符合EN 55022 B
类标准的低EMI解决方案。
随着设计资源因为系统复杂性的提高和设计周期的缩短而变得
紧张,关注重点落在了系统关键知识产权的开发上。这常常意
味着电源受到忽视,直到开发周期的后期才予以解决。由于时
间很短,而且专业电源设计资源可能有限,因此需要开发出尺
寸尽可能小的高效率解决方案,同时可能要对PCB的反面加以
运用,使空间利用率最大化。
µModule稳压器为此提供了理想的答案。此概念内部复杂,但外
部简单——既有开关稳压器的效率,又有线性稳压器的易设计
性。认真负责的设计、PCB布局和元件选择对于开关稳压器设
计非常重要,很多经验丰富的设计人员在职业生涯的早期闻到
了电路板燃烧的独特香味。当时间短或电源设计经验不足时,
现成的µModule稳压器可节省时间并降低风险。
ADI公司µModule系列最近的一个实例是LTM4661同步升压µModule
稳压器,其采用6.25 mm×6.25 mm×2.42 mm BGA封装。封装中包
含开关控制器、功率FET、电感和所有支持元件。在1.8 V至5.5 V
的输入范围内工作时,它可以提供2.5 V至15 V的稳压输出,输出
电压通过单个外部电阻设置。只需要一个输入和输出体电容。

图1. 3.3 V至5 V输入,提供最高800 mA的12 V电压,采用外部时钟

LTM4661效率很高,从3.3 V输入升压至12 V输出时,效率高于87%。效率曲线参见图2。

图2. LTM4661的效率与输出电流的关系,从3.3 V输入升压为5 V至15 V输出。

图3显示了LTM4661的实测热图像:3.3 V输入,12 V、800 mA直流输出,200 LFM气流,无散热器。

图3. LTM4661的热图像:3.3 V输入,12 V、0.8 A输出,200 LFM气流,无散热器。

结论

近年来,物联网设备的部署爆炸式增长,其中包括各种用于军事和工业应用领域的产品。新一波产品,包括装有传感器的医疗和科学仪器,一直是近年来市场的重要推动因素,现已开始出现显著增长的迹象。与此同时,这些系统的空间和热设计限制催生了一类新型功率转换器,要求其实现小尺寸、紧凑且热效率高的必要性能指标,以为诸如功率放大器等内部电路供电。幸运的是,最近发布的LTM4661升压型µModule稳压器之类的器件简化了电源设计人员的工作。

最后,在此类应用中使用µModule稳压器是很有意义的,因为它能显著缩短调试时间并提高电路板面积利用率。由此将能降低基础设施成本,以及产品生命周期的总拥有成本。

作者简介

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear部门的营销总监,于2000年5月加入公司。他负责电源转换和管理产品方面从概念到停产的所有事情。加入凌力尔特(现为ADI公司一部分)之前,Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.(欧洲)担任过营销、销售和运营方面的不同职位。他于1981年在英国曼彻斯特大学获得应用数学学士学位。联系方式: anthony.armstrong@analog.com

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蜜蜂使用信息素和舞蹈动作在庞大的蜂群中安全有效地交流,物联网系统设计人员和管理人员可以从蜜蜂身上学到很多东西。

物联网已经被用来增强养蜂效果。由于我们都是在物联网和移动解决方案领域从事工作的养蜂人,所以我们总是热衷于将两者结合起来。物联网技术对蜜蜂的明显好处在于远程监控蜂箱,减少了检查蜜蜂所花费的时间,也降低了它们的压力水平。然而,虽然物联网可以改善我们照顾蜜蜂的方式,但蜜蜂自己也有很多东西可以教我们如何改善物联网。

当我们努力建设智慧城市,并提升技术的相互作用和我们生活方式到“下一个层次”时,值得思考的是,大自然长期以来如何通过让每只蜜蜂与其他群体“连接”并共同生活的。

蜜蜂作为超级有机体:系统

蜜蜂是迷人的生物。作为养蜂人,我们不断惊讶于蜜蜂群体如何表现为单一的社会结构。可以说,蜜蜂群实际上是一种超级有机体,有机体可能看起来像是一种动物,但它实际上是不同类型(或种姓)细胞的大量集合。超级有机体的关键定义是一个群居动物的社会单元,在这个社会单元中,分工高度明确,个体无法长时间独立生存。

物联网设备网络的行为与蜂群非常相似。事实上,我们可以从大自然的超级生物中学到很多东西,蜂群可以教会我们如何改进物联网网络的设计和管理,蜂巢可以被认为是一个真正相互联系的城市。成千上万只蜜蜂在一平方米的巢穴中堆积得很好,所有蜜蜂都在共同保护和清洁蜂巢,收集和储存食物,并抚养幼蜂。蜂群的生存密度与生存焦点——牺牲个体——可能不是我们想要学习的东西。整个蜂巢的沟通水平值得钦佩。

在生物体中,虽然细胞具有相同的DNA,但它们却非常专业化,可以执行不同任务。一种社会性昆虫,如意大利蜜蜂,非常符合超级有机体标准。个体生物体具有激素来组织身体过程,而蜜蜂使用与激素具有相同作用的信息素,信息素是将信息从一个生物体传递到另一个生物体的化学物质。在蜜蜂群体的社会结构中,信息素在蜜蜂的整个生命周期中被用来吸引雄蜂到蜂王身边,并描绘蜜蜂幼虫发育的每个阶段,还可以区分不同种类的蜜蜂——工蜂、雄蜂和蜂王——以及刺激蜂巢中的活动,作为帮助蜜蜂识别家园(蜂巢)的标记。蜜蜂利用信息素快速传播信息,提醒其他蜜蜂注意攻击,这将使成千上万的蜜蜂从被动变为主动。

信息素和智慧城市

在《化学通讯的神经生物学》一书的第5章中,作者指出,“蜜蜂信息素代表了社会昆虫间最先进的交流方式”。关于蜜蜂信息素的更多详细信息,请参考上面的链接。

从许多方面来说,智慧城市中物联网传感器的集合就像蜜蜂群体—— 一种超级有机体——具有许多不同类型的传感器,它们之间使用各种协议(信息素)在社区中相互通信(蜂巢) ,以实现一系列目的。

那么,我们可以从蜜蜂身上学到什么,我们如何将这些高效的沟通策略应用于物联网?

简单,安全和智能通信

简单:蜜蜂的表达方式非常简单、明确,它们之间的交流是通过舞蹈进行的。假如花源位于附近,例如是在50公尺的范围,侦察蜂就会在蜂巢上跳出圆形舞蹈;假如新发现的花蜜或花粉位置偏远,侦察蜂便会灵巧地改变舞姿,跳出“8字”舞蹈,特点是在“8字”的交界有断断续续的舞步。

侦察蜂的每一个舞步,对其他蜜蜂来说都有意思。侦察蜂在指定时间的转圈次数和摆腹动作,表示花源的距离,腹部摆动得越慢,表示距离越远;侦察蜂在“8字”交界的舞步方向和角度,表示花源的方向;假如它笔直向上跳出舞步,其他蜜蜂便知道要朝太阳方向寻找花源;假如她笔直向下跳出舞步,它们便知道要朝太阳相反方向飞行。

安全:信息素是蜜蜂安全通信的关键。编码化学物质的精确平衡验证了蜂箱内外的重要通信,例如,蜂王有非常精确的化学信号,蜂群将会知道它们的蜂王是否在这个基础上出现,并且它们可以迅速发现冒名顶替者。

智能通信:蜂巢中有成千上万只蜜蜂,它们有多种食物来源和潜在威胁,但它们之间沟通交流的误解却很少,实现这种沟通准确性的关键是蜜蜂只交流必要信息,它们会对信息进行整理分类,并且只沿着与蜂巢其他部分相关的方向前进。每只蜜蜂都专注于自己的任务,它们努力工作,确保蜂巢的整体健康。蜜蜂在觅食时具有经济悟性,蜜蜂飞行对蜜蜂来说非常宝贵,它们不会在不必要的地方长途采集,因此,当蜜蜂交流好花蜜的位置时,距离是它们主要的考虑因素。

物联网可以从蜜蜂身上学到什么?

通过保持连接简单、安全和智能,我们也可以成功连接我们周围的世界,我们更可以避开让生活变得复杂的陷阱。

同样值得注意的是,虽然蜂巢有一个蜂王,但事实上蜂巢是民主的,工蜂决定什么时候更换新蜂王,而且它们对更换蜂王没有任何顾虑。人类花了很长时间来复制这种政府模式,不过看起来还是蜜蜂一直领先于我们。

本文转自:蜜蜂的社会行为适用于物联网系统

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以电动汽车为代表的新能源汽车因为更贴合“青山绿水就是金山银山”的可持续发展理念,受到了从”庙堂到江湖”的普遍欢迎。进入2018年,抑制燃油汽车的“双积分”政策和鼓励新能源汽车发展的补贴政策继续推进,萝卜大棒齐挥之下,车厂、Tier 1更追求符合政策预期的长续航、低能耗的新能源汽车,以期通过技术优势与资金优势、市场优势并重,优化产业结构,助力市场更快增长,达到2020年产量超200万辆的发展规划目标。

在这波席卷中国汽车业的绿色浪潮中,全球领先的高性能模拟芯片大厂ADI基于长期积累的汽车电气化广泛经验,通过提供更低排放、更高效率、更高可靠性和安全性的解决方案,让电池管理、动力总成和信息娱乐等系统保持高性能的同时变得更小、更轻、更可靠,推动更环保高效的未来汽车早日落地。

图1:ADI让未来汽车更环保、更高效。

监控+隔离:电池安全管理的两大守护神

动力电池因为高能量密度特性成为新能源车辆的主要动力源,占整车成本比重较高,在纯电动汽车中高达40%,是新能源汽车“三电”核心关键技术之一。BMS(电池管理系统)技术通过对动力电池的热管理,启停电池冷却系统,管理单体电池之间的均衡,防止单体电池过充过放产生危险,并监测整体电池的健康状态,从而提高电池组效率、延长寿命并确保安全性,已成为新能源汽车提升续航里程、降低整车成本的重要设计考虑点。

由于锂电池在混合动力汽车和纯电动汽车领域的出色电能和功率特性,汽车行业目前普遍选用锂电池解决方案。动力锂离子电池组包含大量的电池单元,工作电压和电流很高,必须正确监控且对强弱电信号进行隔离,才能提高电池效率、延长电池寿命,同时确保电池组的安全性。

图2:ADI针对汽车能量管理的完整解决方案。

ADI第四代锂电池主监控IC产品LTC6811,能够对12个通道的电压和温度进行监测(未来产品提供更灵活的通道数),极限精度优于1.2 mV;可采用菊花链连接;提供业界最快的转换速度和最佳数据保护;可在290μs内检测12个通道的数据;并提供被动式电池单元平衡控制功能。而专为汽车应用优化的数字隔离器iCoupler®,具有高速率下最低功耗性能的同时,还具有封装尺寸小、通道选项多的优势,所需组件量和占用电路板面积都最小。isoPower®是 ADI 独特的集成电源数字隔离器解决方案,它提供隔离电源和多通道数字隔离功能;与分立式DC至DC隔离器加数字隔离器的方案相比,isoPower的成本更低、占用面积更小。

基于LTC6811产品、iCoupler®和isoPower®技术的ADI最新一代锂电池BMS解决方案,具备高精度监控功能,在苛刻的环境下能够保持良好的性能,提供可靠、安全的电量管理,并能有效降低系统的整体成本。

图3:ADI高性能监控IC+隔离方案,安全可靠的守护神。

48V轻混:严政下的过渡期优选

日益复杂的车载电子功率增加引起的电流增加,伴随着更粗的电缆提供更大电流能力的需求,由此将带来车内空间不足、重量增加导致能效降低的难题。在越来越严格的能耗和排放要求双重压力下,系统成本较低、节油效果相对明显、对现有整车结构改变不大的48V轻混系统广受业界青睐,因此相当一段时间内,48V和12V系统将共存。

ADI双向两相同步降压或升压型控制器LTC3871,通过允许把相同的外部功率组件用于降压和升压目的,将新的性能水平、控制和简化电路带给了48V/12V双电池DC/DC汽车系统;并可对多达12相实施并联以满足高电流大功率(3KW-10KW)应用的需要。当起动汽车或需要额外的功率时,LTC3871允许两个电池同时为同一个负载提供电能。48V电池将在提高可用能量上发挥核心作用,同时还可减少线束重量和损耗。这种额外的能量为采用新技术铺平了道路,从而可使汽车的安全性和效率得以提升,同时降低了其 CO2 排放量。

图4:ADI针对48V/12V双电池应用的双向多相同步降压/升压控制器方案。

针对自动驾驶汽车冗余电池系统应用,ADI最新推出效率高达 98% 的双向降压-升压型开关稳压控制器LT8708/-1,利用一个输入电压供电运行,该输入电压可以高于、低于或等于输出电压,十分适合两个各为 12V、24V 或 48V 的电池 以及48V/12V和48V/24V双电池系统。该器件采用单个电感器在 2.8V 至 80V 的输入电压范围内工作,并能产生 1.3V 至 80V 的输出电压,提供高达kW级的功率,简化了需要在正向或反向调节VOUT、VIN和/或IOUT、IIN的电池/电容器备份系统中的双向电源转换。

图5:效率最高达98%的LT8708/-1可在 48V/12V 和 48V/24V双电池系统中使用。

事实上,ADI还有很多其他的创新电源解决方案也适用于新能源汽车的电源管理和powertrain设计进行创新升级,如超低噪声(电磁干扰)、更优的主动均衡和能量优化(安全驾驶更长距离)、超强浪涌和高压保护等。这些技术特性让汽车相关电源系统实现高能效的同时还优化了EMC和PCB空间,提高安全可靠性,最大限度满足了自动驾驶和新能源汽车系统性能和安全性要求。

线控技术:澎湃动力瞬息掌控

线控系统是未来自动驾驶汽车的标配。从技术角度来看,相较于原有底盘系统的刚性连接,线控系统布置更加柔性化,可以降低底盘设计和布局难度,不需要调整其他部件位置,有利于实现模块化底盘设计。针对自动驾驶的线控方案,ADI与国际领先的磁阻供应商合作,将自身擅长的信号调理、接口等模拟器件技术与磁阻传感器相结合,推出了业界领先、高性价比、安全性更优的用于检测速度、角度和位置的的磁阻方案(xMR),可用于线控刹车、线控方向盘等高精度线控马达驱动系统。

图6:ADI高精度马达控制检测方案。

以广受市场欢迎的ADI磁阻传感器芯片ADA4571为例,可在广泛的电机应用中实现直接、非接触式和无磨损的角度测量,适用于包括电动辅助转向、制动、主动式悬架、稳定性控制等汽车系统。借助集成式AMR和精密信号调理技术,ADA4571可以不受寿命、高温或机械应力导致的磁体漂移的影响,在恶劣环境下也可实现高精度读数;借助高精度位置反馈信息,则可提高电机换向效能,改进对扭矩和速率性能的控制,在低转速应用中尤其如此;更加完善的扭矩控制能力,有利于提高电机效率,减少排放和散热,并能延长电机寿命。尤其值得一提的是,ADA4571可以承受的磁场强度没有上限,可以达到很高的信噪比。

在旋变数字转换器(RDC)市场,ADI同样拥有广泛的产品组合和悠久的历史。AD2S1205和AD2S1210能够处理高达3,125 RPS的跟踪速率,精度可以达到±2.5弧分。AD2S1205是12位RDC,AD2S1210的10/12/14/16位分辨率可由用户设置。芯片具有差分输入和增量式编码器输出,以及可编程故障检测阈值。它们可在变速箱、EPS和HEV/EV电机中用于电机轴角度和速度的精确测量。

电动化与智能化如何完美结合?

随着用户对信息娱乐、主被动防护、辅助驾驶甚至自动驾驶的需求,汽车集成了越来越多的屏幕、电子设备和软件系统,变得越来越智能。对于从业者而言,相较于传统燃油车,以“三电”系统为核心的新能源汽车天然就是实现智能化的最佳载体,而智能化潮流配置也成为新能源汽车另一大核心竞争力。

有研究数据显示,纯电动汽车的单车半导体用量高达719美元,是传统燃油汽车的2倍有余。未来,智能化程度也会因消费者更易感知而成为新能源汽车另一大核心竞争力,作为一名自1993年就为安全气囊提供MEMS加速度传感器的汽车行业老兵,ADI的系列高性能产品以及多年来深入行业积累的经验将助力客户把握智能化脉搏,制胜未来。

图7:电动汽车半导体含量大幅提升(资料来源:Strategy Analytics)。

雷达、激光雷达和惯性单元是自动驾驶安全的关键技术铁三角。ADI的雷达技术覆盖24GHz和76-81GHz完整频段,在现今开发的所有雷达模块中占到50%。在测距能力更强、分辨率更高的激光雷达技术上,ADI收购了Vescent加大纯固态激光雷达技术投入,志在以系统级最优的性能和最低的成本,促进激光雷达系统在自动驾驶中的普及应用。经过独特开发的 ADI iSensor IMU技术产品组合具有战术级稳定性和超低噪声,可提供高达十个运动自由度,并且全都经过全面的工厂校准和优化的嵌入式传感器调节。ADI针对汽车应用场景从战术级降维至车规级开发的IMU,堪称业界最强方案。作为百度Apollo的重要合作伙伴,ADI公司的惯性测量单元被用于做全球首款L4级量产自动驾驶巴士阿波龙的惯性导航。

ADI基于28nm CMOS技术,融合业界领先的毫米波雷达、激光雷达和IMU等产品组合构建的Drive360TM技术平台,能可靠地检测形状更小、移动速度更快、距离更远的物体,在自动驾驶汽车周围打造一道360度保护屏障,全方位保护汽车和乘员安全。

图8:ADI让自动驾驶更安全。

如上所述,激光雷达、毫米波雷达、相关惯性测量单元是未来自动驾驶非常核心和关键的平台。由于雷达和激光雷达的精度和性能、稳定性非常重要,所以针对雷达、射频、高频应用,ADI推出了全球噪声最低的几款电源:如LT3042、LT3045,噪声只有0.8微伏,与电池差不多。配套这样创新电源技术,使得ADI能够为自动驾驶汽车提供更好的性能和可靠性。

图9:具有超低噪声、超高PSRR的ADI LDO是77/79GHz汽车雷达应用的理想之选。

在智能座舱领域,ADI也拥有非常丰富且广受认可的产品线:成功与全球90%的汽车制造商合作的音频总线 A2B技术,支持主动降噪ANC,车内通话ICC,回声消除和降噪ECNR等高级音频算法,同时显著减轻现有电缆线束的重量(在主要应用中减轻75%以上);专用的车载视频和摄像头总线技术C2B,可在最低成本基础设施中提供低延迟高清质量视频,且对外界辐射小,抗外界干扰能力强,对可靠性等有更高的帮助,是ADI推荐的下一代视频总线;先进的人机交互(HMI)和驾驶(员)状态检测先进技术方案,其中采用业界领先的车规级VGA分辨率ToF技术的3D人脸识别具有抗强光、高分辨率的特点,可实现人脸识别和复杂的手势识别。

坚定看好中国安全、智能的新能源汽车发展前景,ADI将继续坚持“生态圈合作共赢”的理念,深度参与合作伙伴产品早期定义阶段,通过持续提供面向自动驾驶、动力总成/电机驱动、电源管理、座舱信息娱乐系统、MEMS安全等高性能、低成本、差异化的系统级解决方案,助力车厂、Tier 1向中国消费者交付更高效环保、安全可靠的产品,为中国新能源汽车市场稳步高增长保驾护航。

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David Carr ADI公司

电子产品不断增加

不可否认,电气系统变得更小、更轻,汽车电气化就是一个最好的例子。专业服务公司普华永道 (PwC) 预计,到2024年,混合动力汽车和全电动汽车将占全球销量的40%。随着汽车电气化程度的提高,越来越多的电气组件和系统需要隔离。例如,配备400 V直流电池组的电动汽车正变得越来越普遍,这带来明显的安全隐患。

更多电子产品需要更多隔离

新一代隔离解决方案面临的挑战无论是数量还是类型都在不断增加。这些系统,尤其是对于隔离设计而言,涉及复杂的架构和流程,会限制敏捷性和灵活性,同时也给变革带来阻碍。

竞争与全球化步伐加速迫使企业更加关注上市时间 (TTM) 和投资回报 (ROI)。这意味着开发团队必须在更短的时间内完美地执行计划。随着对设计和开发资源越来越严密地审查和更多的需求,所有关键设计领域尚缺乏大量的经验。需要保持最少迭代次数才能够达到投资回报目标,但与此同时,来自竞争对手的压力又会快速无情地推高性能目标,这样才能使产品与众不同。新监管机构和更严格的法规又需要额外增加一层应用测试和认证。需求陡增,风险极高。

了解隔离设计

虽然隔离是隔离设计的重要组成部分,但它并不是简单的设计部分。从确定所需的隔离级别到提供隔离电源以辅助隔离数据路径,再到使解决方案适合可用空间——需要评估许多设计权衡因素。然而,每个新项目都有自己独特的设计目标和设计要求。

多种因素(包括技术难度、与先前设计的相似性、时间安排和资源配置)共同决定了有多少设计可以重复利用和需要多少全新设计选项。通过极少的更改,重复利用先前的设计或架构方法通常可以降低风险并加快执行速度。但是,新功能或性能水平的提高往往决定了需要研究新方法。将稀缺的开发资源用于评估新技术和改良技术,提高设计的技术价值,这一点也很重要。

传统方法的局限性

集成隔离式DC-DC转换器的出现,提供了一个紧凑、易用的解决方案,并具有文档化的安全认证,使得上述诸多考虑因素更容易得到解决。假设有这样一个场景,新项目已获批准,需要升级先前的设计,以达到更高的性能指标并具有更多功能。团队成员立即充满活力,准备投入工作。然而,项目技术负责人不得不为所有可能出错的因素而担忧,而且在更紧张的预算和进度限制下,管理的复杂性日益增加。

满足越来越严苛的电磁兼容性 (EMC) 要求是这些项目管理挑战之一。越来越多的新兴应用和市场需要符合众多EMC规范,而且标准也随更严格的性能限制而不断提高。

现有的分立式解决方案(如隔离反激式转换器)具有物料清单 (BOM) 成本低等优点,但也存在一些缺点。典型的反激式设计(图1)包含驱动隔离变压器的控制器、次级整流和滤波以及光隔离反馈网络。误差放大器需要开发补偿网络的设计工程以稳定电压回路,并且它的性能还取决于光耦合器性能的一致性。光电耦合器常常被视为廉价隔离器而用于电源,但其电流传输比 (CTR) 变化限制了电压反馈性能和有效工作温度范围。CTR参数定义为输出晶体管电流与输入LED电流之比,并且它是非线性的,具有明显的个体差异。光耦合器的初始CTR通常具有2比1的不确定性,在高温环境中使用多年后下降高达50%(例如在高功率、高密度电源中的光耦合器)。对于项目经理而言,从成本的角度来看,反激式分离器件方法似乎更好,但需要权衡工程量和技术风险。

图1. 典型隔离式反激DC/DC转换器。

分立式方法的另一个问题在于能否满足安全标准。安全机构对分立式设计的审查越发严密,因此针对分立式系统设计获得必要的认证通常需要进行多次设计迭代。

系统中的隔离也增加了电源设计的复杂性。典型的非隔离设计具有常见的约束条件,如输入电压和输出电压范围、最大负载电流、噪声和纹波、瞬态性能、启动特性等。就其本质而言,隔离屏障无法同时轻松监控输入和输出条件,这使得性能指标的实现更加困难。分割的接地域还会形成偶极天线,并且穿过势垒的任何共模电流将激励偶极子并产生无用的辐射能量。

通过测试

为使分立式电源设计通过EMC认证,可能需要进行几次迭代才能正确完成。EMC测试耗时且昂贵,团队需要在外部EMC合规性机构花费数小时进行准备并监控测试。一旦问题发生时,又要回到实验室进行故障排除和更改。然后必须对设计进行全面地重新表征,以确保标准性能指标不会因修改而受到影响。接下来,再回到EMC机构进行重新测试。

最后阶段是获得必要的安全认证。这是另一个漫长而昂贵的过程,由外部安全机构执行。设计团队必须准备大量文件,并交由机构仔细检查。任何新设计都需要进行额外的审查,因此重复利用先前已经过认证的电路非常令人期待。如果机构认定产品不符合安全要求,就可能需要修改分立式隔离电源设计。一旦进行了修改,将需要再次重新表征设计并通过EMC测试。

更好的解决方案

解决这些问题的答案就是完全集成的、经过安全认证并有EMC性能文档的元件。一个例子就是采用isoPower®技术的ADuM5020/ADuM5028低辐射隔离式DC-DC转换器。这些产品可从5 V直流电源提供高达0.5 W的隔离电源,工作温度范围为-40°C至125°C。它们已通过UL、CSA和VDE认证,符合多个系统和元件安全规范。这些产品用于简单的双层印刷电路板(PCB,图2)中,在满载条件下可满足CISPR 22/EN 55022 B类辐射要求。

小型封装(16引脚和8引脚宽体SOIC)仅占用很小的PCB面积,并且无需安全电容即可满足辐射目标。这使得隔离电源电路比分立式方法更小、更便宜,例如(分立式方法中的)嵌入式拼接电容需要四层或更多层PCB,并要求有定制间隔以生成正确的电容。

满足更多隔离需求而增加复杂性

随着汽车和其他交通工具的日益趋向电气化,对隔离的需求也在增加。与此同时,激烈的竞争使降低成本和缩短上市时间显得尤为必要。与这些因素并存的是更为严格的监管要求和隔离设计的固有复杂性。传统的隔离方法无法成功应对这种市场需求与挑战的融合。完全集成的、经过安全认证并有EMC性能文档的隔离式DC-DC转换器,为系统设计人员提供了更好的解决方案。

它们可以显著降低设计复杂性并确保更好的EMC测试效果和合规性。由于在重新设计、重新表征和重新测试方面耗费的时间更少,设计人员可以更加专注于如何减小电路板空间、减少风险、降低成本并缩短产品上市时间。

图2. 采用ADuM5020,结构紧凑,布局简洁。

作者简介

David Carr是ADI公司接口与隔离技术部门的应用工程经理。他的大部分职业生涯主要从事高速模拟和混合信号产品的定义、开发、营销和应用支持。他拥有宾厄姆顿大学电气工程学士学位 (BSEE) 和电气工程硕士学位 (MSEE)。在新英格兰天气不错时,Dave喜欢跑步和打垒球。联系方式:
david.carr@analog.com

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