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“绿色”工业4.0如何实现?从设计可靠高效的电源开始

在工业4.0时代,随着工厂的智能化,不仅能够大幅提升生产效率,还能够很大程度解决能源消耗社会问题,许多国家对工业节能减排提出了更高的要求,绿色制造成为很多国家和地区制定工业4.0发展战略的追求目标。

而所有工业产品的应用都离不开电源。在高效率、小体积、低EMI这三个维度,很多领先的电源技术提供商如ADI都在发力创新,提供非常强大的技术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,为实现更绿色节能的智慧工厂提供基础保障。

ADI电源产品中国区市场总监梁再信在最近的一次媒体交流会上就指出,ADI电源业务超过40%是来自工业应用领域。他着重强调:“数字工厂将带来更高的供应链效率,更高的质量,更大的灵活性和更安全的工作场所,这些都有助于提高生产力。这其中需要大量的工厂管理及监视系统,以确保生产线可以健康运转,这些过程也将使用更多的数据进行分散决策,人工协助,增加安全性和更多可预测性,这些都需要在边缘大量部署智能传感器,也就给了ADI各种边缘信号链及电源解决方案的机会。”

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ADI在电源管理市场处于领先地位,其中40%以上的电源业务收入来自于工业领域

在ADI和Linear合并之后,电源产品超过了一万种之多,推出的“Power By Linear”这个子品牌体现了ADI功率电源产品未来的发展方向,而小尺寸、非常高的效率以及非常低的EMI是几大具体检验指标,这些是确保工业系统安全可靠运行并且绿色节能的关键创新方向。

电源技术创新案例一:理想二极管

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效率做了非常多的工作。

例如图2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。

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工业控制系统输入侧的创新——理想二极管方案

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。”Lorry表示。

电源技术创新案例二:“静默的开关电源”

为了应对很难实现的电源超低EMI挑战,ADI的Silent Switcher技术特别对噪声和干扰来源进行了深度优化。从工程物理的角度实现了突破和创新。它在芯片设计上做了两个反向的电流环,两个反向回路的最大好处是产生的磁力线是闭合的,对外界EMI的干扰就会小很多。在微观上,不再用金线去绑定内核,而是用倒装的方式缩减环路面积,进一步让EMI降到最低。通过一系列工艺的优化,就得到了非常好的EMI性能,无需特别优化, 标准设计即可足CISPR25 Class 5 EMI标准。

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。

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Silent Switcher实现超低EMI开关电源

“Silent Switcher是全球电源技术过去几年最大的创新,它是一个技术平台,未来ADI Power By Linear’产品都会尽可能的往这个技术平台上迁移。”Lorry透露,“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。”

电源技术创新案例三:简单高效的隔离电源

在工业领域,需要隔离高压和低压的隔离电源,以往主要依靠变压器输出的反馈,这种方法已经用了几十年,但是电源比较复杂,可靠性难以保证,光耦的寿命也是个问题。ADI推出了一个新的概念:一个隔离电压控制器、一个控制器、一个变压器,去掉反馈和光耦,利用变压器波形去计算和分析输出负载变化,实现反馈。这样输出也非常简单:即采用一个二极管加一个滤波电容,性能还不错,即使没有传统的反馈,输出也可以做到0.5%的精度,效率达到90%以上,如下图的LT8301在隔离电源领域是一个突破。

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LT8301是一款微功率、隔离型反激式转换器。通过直接从原边反激波形对隔离式输出电压进行采样,该器件无需借助第三个绕组或光隔离器来实现稳压。输出电压利用单个外部电阻器来设置。内部补偿和软起动进一步减少了外部组件数目。边界模式操作提供了一种具有卓越负载调节性能的小型磁性解决方案。低纹波突发模式操作可在轻负载条件下保持高效率,同时最大限度地抑制输出电压纹波。LT8301 将一个1.2A、65V DMOS 电源开关与所有的高电压电路和控制逻辑电路集成在一个5引脚ThinSOT封装之中。

为了处理在特别的工业应用场所电压波动大的情况,ADI还特别推出了非常宽电压的隔离电源(如下图的LT8315,其电源宽为20V到540V),以满足更广阔更复杂的工业应用。LT8315是一款具有集成型 630V/300mA 开关的高电压反激式转换器,输入电压范围为18V 至 560V。调节无需使用光隔离器。该器件从出现在变压器第三绕组两端的隔离式反激波形对输出电压进行采样。准谐振边界模式操作改善了负载调节,缩减了变压器尺寸,并保持了高效率。

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电源技术创新案例四:高集成度电源模块——µModule

在工业领域,小体积也是人们推动的一个方向。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的电源产品里是一个非常齐全的产品系列。

现在工业设计的密度和板卡的复杂程度越来越高,而且人机界面、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,如何降低客户设计难度,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? ADI在10年前就推出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。

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ADI µModule超薄电源模块帮助减小PCB占位和集成更多功能

例如,超薄的双通道、超薄、2.5A 或单 5A 降压型 DC/DC μModule 稳压器LTM4622体积只有6.25mmX6.25mmX1.8mm,可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,可以通过把不同的输出并联在一起,可以得到不同电流的组合。

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此外,Linear还利用了隔离电源的技术和集成电路封装的工艺,开发了隔离电源模块。

上述这些高集成度电源模块可减小工业客户和板卡设计空间,极有力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。

Lorry总结到:“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、功效更高。”

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