“綠色”工業4.0如何實現？從設計可靠高效的電源開始
http://m.sharifulalam.com 2018-09-25 14:42 來源：易維訊
在工業4.0時代，隨著工廠的智能化，不僅能夠大幅提升生產效率，還能夠很大程度解決能源消耗社會問題，許多國家對工業節能減排提出了更高的要求，綠色制造成為很多國家和地區制定工業4.0發展戰略的追求目標。
而所有工業產品的應用都離不開電源。在高效率、小體積、低EMI這三個維度，很多領先的電源技術提供商如ADI都在發力創新，提供非常強大的技術支持以及一系列創新產品來滿足不同工業應用領域電源的安全性和可靠性要求，為實現更綠色節能的智慧工廠提供基礎保障。
ADI電源產品中國區市場總監梁再信在最近的一次媒體交流會上就指出，ADI電源業務超過40%是來自工業應用領域。他著重強調：“數字工廠將帶來更高的供應鏈效率，更高的質量，更大的靈活性和更安全的工作場所，這些都有助于提高生產力。這其中需要大量的工廠管理及監視系統，以確保生產線可以健康運轉，這些過程也將使用更多的數據進行分散決策，人工協助，增加安全性和更多可預測性，這些都需要在邊緣大量部署智能傳感器，也就給了ADI各種邊緣信號鏈及電源解決方案的機會。”
ADI在電源管理市場處于領先地位，其中40%以上的電源業務收入來自于工業領域
在ADI和Linear合并之后，電源產品超過了一萬種之多，推出的“Power By Linear”這個子品牌體現了ADI功率電源產品未來的發展方向，而小尺寸、非常高的效率以及非常低的EMI是幾大具體檢驗指標，這些是確保工業系統安全可靠運行并且綠色節能的關鍵創新方向。
電源技術創新案例一：理想二極管
在諸如馬達控制等典型的工業控制系統中，在輸入端的EMI、噪聲對整個系統的穩定性都非常關鍵，與此同時因為現在的系統功耗也是一個問題，為了做合路，過去都會用到二極管，對于高電流的應用來講，用普通的二極管會有很多的弊端，ADI創新地推出了理想二極管方案，并為提升整個系統的安全性和效率做了非常多的工作。
例如圖2中的正高電壓理想二極管控制器LTC4357用于驅動一個外部 N 溝道 MOSFET 以取代一個肖特基二極管，可實現非常低的壓差（MOSFET管的導通電阻是非常低），極大提高效率，從而能夠有效幫助降低功耗、熱耗散、電壓損失并縮減 PC 板面積（無需散熱片），并提高了可靠性，增強了系統整體效率。
工業控制系統輸入側的創新——理想二極管方案
在工業領域，EMI是繞不開的問題。“我們無法想象在一個大批量機器人的工廠，因為EMI的問題，系統死機了，造成的影響是非常巨大的。系統死機的原因有很多種，其中電磁干擾就是一個重要的原因。”Lorry表示。
電源技術創新案例二：“靜默的開關電源”
為了應對很難實現的電源超低EMI挑戰，ADI的Silent Switcher技術特別對噪聲和干擾來源進行了深度優化。從工程物理的角度實現了突破和創新。它在芯片設計上做了兩個反向的電流環，兩個反向回路的最大好處是產生的磁力線是閉合的，對外界EMI的干擾就會小很多。在微觀上，不再用金線去綁定內核，而是用倒裝的方式縮減環路面積，進一步讓EMI降到最低。通過一系列工藝的優化，就得到了非常好的EMI性能，無需特別優化， 標準設計即可足CISPR25 Class 5 EMI標準。
Lorry舉例了采用Silent Switcher技術的最新一代LT8614芯片。它不僅通過兩個反向的電流環路優化磁場閉合路徑，同時通過系統環路優化將SW上升沿的振鈴控制得非常小，再加上其高度優化的封裝工藝，其EMI相當低。除此之外，它還極大降低了紋波，解決了噪聲問題，將系統的可靠性、穩定性都能做得非常不錯。
Silent Switcher實現超低EMI開關電源
“Silent Switcher是全球電源技術過去幾年最大的創新，它是一個技術平臺，未來ADI Power By Linear’產品都會盡可能的往這個技術平臺上遷移。”Lorry透露，“在中國機器人、工業控制領域，甚至在汽車領域，大部分客戶對Silent Switcher技術都非常感興趣，因為在過去，幾乎所有工業客戶或者汽車客戶，光是要解決EMI的認證問題都要通過半年的時間去做整改，通過之后才可以上市。Silent Switcher技術的出現，幫我們客戶節省了大半年的時間。”
電源技術創新案例三：簡單高效的隔離電源
在工業領域，需要隔離高壓和低壓的隔離電源，以往主要依靠變壓器輸出的反饋，這種方法已經用了幾十年，但是電源比較復雜，可靠性難以保證，光耦的壽命也是個問題。ADI推出了一個新的概念：一個隔離電壓控制器、一個控制器、一個變壓器，去掉反饋和光耦，利用變壓器波形去計算和分析輸出負載變化，實現反饋。這樣輸出也非常簡單：即采用一個二極管加一個濾波電容，性能還不錯，即使沒有傳統的反饋，輸出也可以做到0.5%的精度，效率達到90%以上，如下圖的LT8301在隔離電源領域是一個突破。
LT8301是一款微功率、隔離型反激式轉換器。通過直接從原邊反激波形對隔離式輸出電壓進行采樣，該器件無需借助第三個繞組或光隔離器來實現穩壓。輸出電壓利用單個外部電阻器來設置。內部補償和軟起動進一步減少了外部組件數目。邊界模式操作提供了一種具有卓越負載調節性能的小型磁性解決方案。低紋波突發模式操作可在輕負載條件下保持高效率，同時最大限度地抑制輸出電壓紋波。LT8301 將一個1.2A、65V DMOS 電源開關與所有的高電壓電路和控制邏輯電路集成在一個5引腳ThinSOT封裝之中。
為了處理在特別的工業應用場所電壓波動大的情況，ADI還特別推出了非常寬電壓的隔離電源（如下圖的LT8315，其電源寬為20V到540V），以滿足更廣闊更復雜的工業應用。LT8315是一款具有集成型 630V/300mA 開關的高電壓反激式轉換器，輸入電壓范圍為18V 至 560V。調節無需使用光隔離器。該器件從出現在變壓器第三繞組兩端的隔離式反激波形對輸出電壓進行采樣。準諧振邊界模式操作改善了負載調節，縮減了變壓器尺寸，并保持了高效率。
電源技術創新案例四：高集成度電源模塊——µModule
在工業領域，小體積也是人們推動的一個方向。ADI以µModule為主的寬泛高性能模塊電源模塊產品組合則給業界帶來一次又一次“小即是大”的驚喜，并且在ADI的電源產品里是一個非常齊全的產品系列。
現在工業設計的密度和板卡的復雜程度越來越高，而且人機界面、控制、回路、軟件的可靠性、系統的穩定性所花的功夫會越來越多，如何降低客戶設計難度，加快產品設計的迭代速度，如何幫助客戶縮減電源電路板的尺寸和電路設計的復雜程度？ ADI在10年前就推出劃時代的電源模塊產品µModule，將過去非常復雜的電源系統集成在一個模塊里，客戶不需要關注電源的噪聲、紋波，只需像LDO那樣簡單拿過來用就可以了，效率也非常高。
ADI µModule超薄電源模塊幫助減小PCB占位和集成更多功能
例如，超薄的雙通道、超薄、2.5A 或單 5A 降壓型 DC/DC μModule 穩壓器LTM4622體積只有6.25mmX6.25mmX1.8mm，可提供非常好的性能和輸出。而另一個更高集成度的例子是LTM4668也是針對工業領域，尺寸是 6.25mmX6.25mm，厚度只有2.1mm。電壓在基于電流反饋模型對整個環路做控制，可以通過把不同的輸出并聯在一起，可以得到不同電流的組合。
此外，Linear還利用了隔離電源的技術和集成電路封裝的工藝，開發了隔離電源模塊。
上述這些高集成度電源模塊可減小工業客戶和板卡設計空間，極有力地節省客戶在器件的采購、生產的可靠性以及物料上的成本。
Lorry總結到：“從工業領域來講，上述這些優良的集成電路封裝工藝和模塊化技術能極大地幫助ADI的客戶靈活地設計系統，進一步提升在系統上的安全性和可靠性，使得ADI的工業產品也更加穩定、功效更高。”
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