在長(zhǎng)寧6.0級(jí)地震中，成都高新減災(zāi)研究所研發(fā)的ICL地震預(yù)警系統(tǒng)再次成功預(yù)警破壞性地震。這套全自動(dòng)秒級(jí)響應(yīng)預(yù)警系統(tǒng)是典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通過(guò)在地震多發(fā)區(qū)域密集布設(shè)預(yù)警監(jiān)測(cè)儀，在地震發(fā)生時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)震源、震級(jí)、烈度等信息，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)反饋并進(jìn)行預(yù)警，便于個(gè)人和精密生產(chǎn)、高鐵等行業(yè)應(yīng)用早做安排，整體降低了生命和財(cái)產(chǎn)損失。
圖1：地震預(yù)警流程 來(lái)源：成都高新減災(zāi)研究所
與石油、鐵路、公用電力等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一樣，這類(lèi)預(yù)警系統(tǒng)持續(xù)、可靠、高效的運(yùn)作，需要能夠處理適度電流水平的功率轉(zhuǎn)換IC。這些應(yīng)用的電流通常在數(shù)百毫安，如果存在峰值功率需求，則電流量可能更高。如何滿足這些功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)需求？尤其是可用空間越來(lái)越窄、負(fù)載功率卻更多，且沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)。如果不想在極其緊張的時(shí)間里挑燈夜戰(zhàn)電源設(shè)計(jì)，不妨考慮下高性能模擬技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商ADI公司μModule?(微型模塊)器件。該產(chǎn)品系列按業(yè)內(nèi)最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，大大降低了成功設(shè)計(jì)高性能、高功率密度解決方案的風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)間和精力，尤其適合于電源設(shè)計(jì)資源有限的團(tuán)隊(duì)。
圖2：ADI公司μModule?器件
專(zhuān)業(yè)人才缺乏，市場(chǎng)傾向于整體解決方案
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主輸入電源通常是來(lái)自外部AC-DC適配器和/或電池組的24 V或12 V直流電源。然后，此電壓通過(guò)同步降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步降低到5 V和/或3.x V電壓軌。盡管如此，經(jīng)過(guò)這些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部調(diào)節(jié)后的供電軌數(shù)量卻在增加，而工作電壓持續(xù)降低。因此，其中許多系統(tǒng)仍然需要3.x V、2.x V或1.x V電壓軌，用于為低功耗傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、輸入/輸出和邏輯電路供電。
考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的數(shù)量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)，且就像地震預(yù)警監(jiān)測(cè)儀一樣分散在廣闊的野外區(qū)域，這意味著這些設(shè)備需要及時(shí)回傳大量的數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程集中式集線器，因此，內(nèi)部功率放大器可能需要最高0.8 A電流能力的12 V電壓軌。傳統(tǒng)上，該12 V電壓軌由升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供，這需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)知識(shí)和技能，并且占用印刷電路板(PCB)上相當(dāng)大的面積。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率很高，但在敏感應(yīng)用中的噪聲和EMI水平是影響其市場(chǎng)表現(xiàn)的重要因素之一。專(zhuān)業(yè)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)專(zhuān)家對(duì)此輕車(chē)熟路：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式下以恒定頻率開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)邊沿干凈、可預(yù)測(cè)且沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，那么EMI將極?。恍》庋b尺寸和高工作頻率可以提供小而緊湊的布局，從而最大限度地降低EMI輻射；如果穩(wěn)壓器可以與低ESR陶瓷型電容一起使用，則輸入和輸出電壓紋波(這是系統(tǒng)中的額外噪聲源)可以最小化等。
然而，行業(yè)數(shù)據(jù)顯示全球電源設(shè)計(jì)專(zhuān)家正在減少，而且在大多數(shù)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)根本沒(méi)有足夠的電源設(shè)計(jì)資源來(lái)開(kāi)發(fā)每一種電源。在專(zhuān)業(yè)電源設(shè)計(jì)師越來(lái)越少的當(dāng)下，大部分廠家沒(méi)有/不想配備足夠的人手支持每一種電源開(kāi)發(fā)，他們更希望采用一個(gè)現(xiàn)成的完整電源，這個(gè)電源隨時(shí)可用并能滿足最終應(yīng)用所需的所有性能標(biāo)準(zhǔn)——這也是ADI公司完整的電源管理解決方案μModule器件的初衷，既有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率，又有線性穩(wěn)壓器的易設(shè)計(jì)性。
圖3：3.3V至5V輸入，提供最高800mA的12V電壓，采用外部時(shí)鐘
μModule：高性能、高可靠性、易設(shè)計(jì)
ADI公司的μModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，在緊湊型表貼BGA或LGA封裝內(nèi)集成DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補(bǔ)償組件和電感，還將分立式電源、信號(hào)鏈和隔離設(shè)計(jì)中常用的關(guān)鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在ADI公司嚴(yán)格的測(cè)試和高可靠性流程的支持下，μModule產(chǎn)品系列簡(jiǎn)化了功率轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)和布局，將元件選型、優(yōu)化和布局等設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件上，可大幅縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間，減少系統(tǒng)故障，最終加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
μModule產(chǎn)品涵蓋了廣泛的應(yīng)用，包括終端負(fù)載穩(wěn)壓器、電池充電器、LED驅(qū)動(dòng)器、電源系統(tǒng)管理(PMBus數(shù)字管理電源)和隔離式轉(zhuǎn)換器。作為高集成度解決方案，μModule電源產(chǎn)品可在滿足時(shí)間和空間限制的同時(shí)提供高效率、高可靠性，某些產(chǎn)品還提供符合EN 55022 B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的低EMI解決方案。
以LTM4661為例，這是一款采用 6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA 封裝的低功率升壓型 μModule? 穩(wěn)壓器。LTM4661的封裝中包含開(kāi)關(guān)控制器、功率FET、電感和所有支持元件。在1.8 V至5.5 V的輸入范圍內(nèi)工作時(shí)，它可以提供2.5 V至15 V的穩(wěn)壓輸出，輸出電壓通過(guò)單個(gè)外部電阻設(shè)置。只需少量的電容器和一個(gè)電阻器即可完成設(shè)計(jì)，而且解決方案的占板面積小于 1cm2 (單面 PCB) 或 0.5cm2 (雙面 PCB)。
LTM4661 能夠在 3.3VIN 至 5VOUT 轉(zhuǎn)換情況下連續(xù)地提供 4A 電流，以及在 3.3VIN 至 12VOUT 情況下連續(xù)地提供 0.7A。LTM4661 采用同步整流，可提供高達(dá) 92% 的轉(zhuǎn)換效率 (3.3VIN 至 5VOUT，效率曲線如圖)。開(kāi)關(guān)頻率為 1MHz，而且也可同步至一個(gè)頻率范圍為 500kHz 至 1.5MHz 的外部時(shí)鐘。LTM4661 的 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率和兩相單輸出架構(gòu)可針對(duì)電壓和負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，并顯著地降低輸出紋波電壓。LTM4661 擁有停機(jī)期間的輸出斷接和啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流限制功能。故障保護(hù)功能包括短路、過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)。
圖4：LTM4661的效率與輸出電流的關(guān)系，從3.3V輸入升壓為5V至15V輸出
降本增效反推工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)加速進(jìn)程
近年來(lái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的“降本增效”越來(lái)越為市場(chǎng)認(rèn)可，而其降低成本的能力一定程度上意味著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模?？梢韵胂?，如果能節(jié)省2個(gè)億，工業(yè)企業(yè)是愿意支付1個(gè)億進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造的。據(jù)GE(通用電氣)的測(cè)算，僅航空、電力、醫(yī)療、鐵路和石油與天然氣等大型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，未來(lái)15年降本增效規(guī)模將高達(dá)2760億美元。
圖5：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“降本增效”能力，來(lái)源：鯨準(zhǔn)研究院，GE
與此同時(shí)，這些系統(tǒng)的空間和熱設(shè)計(jì)限制催生了一類(lèi)新型功率轉(zhuǎn)換器，要求其實(shí)現(xiàn)小尺寸、緊湊且熱效率高的必要性能指標(biāo)，以為諸如功率放大器等內(nèi)部電路供電，μModule穩(wěn)壓器之類(lèi)的器件簡(jiǎn)化此類(lèi)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)人員的工作，其安全、高效、低EMI、小尺寸和易設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換器將大幅降低工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施成本以及產(chǎn)品生命周期的總擁有成本，必將反推工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)加速其廣泛應(yīng)用進(jìn)程。
