西门子SITOP电源模块6EP1457-3BA00

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西门子公司（Siemens）近日在发布全新的宣言“Ingenuity for life”（博大精深，同心致远），阐述西门子以广泛的工程技术为客户、员工和社会创造价值的公司定位，表达公司在电气化、自动化和数字化领域技术创新，助力社会可持续发展的坚定。（详情：稿《西门子在发布全新宣言“Ingenuity for life”》）

“Ingenuity”意为工程技术（engineering）、天赋和创新（genius and innovation）以及团结一致的精神（unity）。而“For life”阐述了西门子在全球所承担的责任：创造更加美好的生活，让关键所在，逐一实现。

新的宣言阐述了西门子以广泛的工程技术为客户、员工和社会创造价值的公司定位，表达公司在电气化、自动化和数字化领域技术创新，助力社会可持续发展的坚定。

 西门子电源模块6ES7307-1EA00-0AA0是调节型电源 PS307 输入：AC 120/230 V 输出：DC 24 V/5 A

  就像其他很多应用一样，低功率、高精度组件已经使移动设备出现了迅速增长。然而，与其他很多应用不同的是，面向工业、医疗及军事应用的便携式产品一般对可靠性、运行时间和坚固性的要求高得多。这类高要求产生的负担大部分落在了电源系统及其组件上。这类产品的一个共同特点是，必须在使用各种电源时正确工作且在各种电源之间无缝切换。因此，必须竭尽全力提供保护以及承受故障，在电池供电时限度延长运行时间，并确保只要存在有效电源，就能够可靠运行。

  显然，满足这些需求所需电源管理集成电路 (PMIC) 必须允许应用由多种电源供电，其中可能包括交流适配器、USB 端口、汽车点烟器适配器或甚至锂离子电池。如果 PMIC 集成了电源通路 (PowerPathTM) 控制功能，那么这一要求可能很容易满足。这种方法确保系统电源保持不间断，并容许外部电源和电池电源之间以热插拔方式转换。在有些情况下，PMIC 中可能还包括电池充电器。如果这样，那么这种电池充电电路需要确保利用应用不需要的多余电量给电池充电。此外，内置保护电路有时是必要的，以抵御过 30V 的外部过压故障。后，无负载静态电流必须很低，以在很宽的负载及工作条件范围内提供电源效率。这类功能对于任何产品的和实用性都是至关重要的。

  行业趋势

  尽管产品尺寸越来越小，但是对功能的需求却不断增加。此外，现在的业界趋势是，为移动产品供电的微处理器 (μP)、微控制器 (μC) 或现场可编程门阵列 (FPGA) 等数字 IC 不断降低其工作电压，但与此同时却不断提高其安培数。在设计产品时，微处理器是流行的器件，飞思卡尔、英特尔、NVIDIA、三星以及其他供应商所提供采用各种节电方式的产品也越来越多。这些产品用来跨多个细分市场，使多种便携式、无线及移动设备应用实现低功耗和很高的处理性能。

  使用这些处理器初的目的是，帮助 OEM 开发更小、更具成本效益、电池寿命更长的便携式手持设备，同时提供增强的计算性能，以运行功能丰富的多媒体应用。然而，非便携式应用现在也开始需要同样高的电源效率和处理性能了。例如，汽车信息娱乐系统和其他嵌入式应用都需要类似水平的电源效率和处理能力。在所有情况下，要正确控制和监视微处理器电源，以使这些处理器的性能优势全部发挥出来，就必须使用高度化、高性能的电源管理 IC。

  如今的工业和医疗移动设备很多在电源加电以及给各种不同的电路加电时，都需要受控和经过精心设计的排序功能。实现系统灵活性及简单的排序方法不仅使系统设计更容易，也提高了系统可靠性，并使单个 PMIC 在系统中能够应对更广泛的组件，而不是仅满足一个具体的处理器的需求。

  历史上，许多 PMIC 尚未拥有处理这些新式系统和微处理器所需的功率。任何旨在满足已简述之工业或医疗电源管理 IC 设计限制条件的解决方案都必须实现高集成度的整合，包括大电流开关稳压器和 LDO、宽工作温度范围、电源排序和重要参数的动态 I2C 控制以及难以制作的功能部件。此外，具高开关频率的器件允许使用更小的外部组件，同时陶瓷电容器可降低输出纹波。这种低纹波与准确、响应速度很快的稳压器相结合，可满足 45nm 型处理器苛刻的电压容限要求。这样的电源 IC 还必须能够满足严格的环境限制，诸如提供辐射抑制，即使输入电压直接由电池本身提供。

  设计挑战

  当今的智能手机和平板电脑设计师面临着前所未有的挑战。其中包括需要高性能电源管理系统，以顾及日益提高的系统复杂性和更高的功率预算。这些系统努力在较长电池运行时间、与多种电源的兼容性、高功率密度、小尺寸、有效的热量管理等相互排斥的目标之间实现平衡。

  所有智能手机和平板电脑的一个共同目标是，在目前的水平上，进一步降低它们所消耗的功率。任何系统的功耗都能够以两种方式应对：首先，跨整个负载电流范围

  限度提高转换效率;其次，降低 DC/DC 转换器在所有工作模式时的静态电流。因此，为了在降低系统功耗过程中发挥积极作用，电源转换和管理 IC 必须更高效，且在所有工作条件下，具备更低的功耗水平。

  为了满足这些特定要求，凌力尔特在很多电源管理及转换 IC 中纳入了突发模式 (Burst Mode®) 技术。这种技术限度降低了 IC 本身在备用模式时所需的电流。在很多情况下，这种备用静态电流低于 20mA。

  直到不久前，锂离子电池供电产品的设计师一直用两种基本方法应对由于电池尺寸小因而容量有限的挑战。一种方法是设计使用单独组件的系统，每个组件为单一功能而优化。这种方法提供的设计、布局和热量管理灵活性，同时使每种功能实现了恰当的性能水平。但是这种方法有一个主要缺点，即成本相对较高，需要占用大量电路板空间，以满足日益增加的功能需求。

  另一种替代方案是设计师可以从多种高集成度 PMIC 中进行选择。这些器件所支持的功能通常出大多数应用的实际需要，包括开关 DC/DC 控制器、单片式开关电源和众多集成型 LDO 与无关的混合信号功能部件 (例如：触屏控制器、音频编等等) 的笨拙组合。结果，这些 PMIC 可能十分笨拙，难以使用，而且大多数需要仅为器件接通而大量投资开发固件。这类产品往往更重视集成而不是性能，常常由于将热量集中到产品内的单个“热点” 上而使热量管理更加复杂。讽刺的是这类高集成度解决方案也需要占用相对较多的电路板空间，因为它们的封装较大、引脚数较多。后，这类解决方案迫使设计师大胆安排电路板布局，以顾及所有有关外部组件 (MOSFET、电感器、二极管和各种无源组件)，以及顾及从 PMIC 跨整个系统到各种负载所需的有关布线。

  不过，现在有一种新的方法可用，这种方法介于使用多个电源 IC 或使用高度复杂的 PMIC 这两种方法之间，是一种适度集成但功能强大的 PMIC。这个 IC 就是凌力尔特不久前推出的 LTC3676 / LTC3676-1。

  LTC3676 / LTC3676-1 是完整的电源管理解决方案，适用于飞思卡尔 i.MX6 处理器、基于 ARM 的处理器以及其他的便携式微处理器系统。LTC3676 / LTC3676-1 含有 4 个同步降压型 DC/DC 转换器，每个都可为内核、存储器、I/O 和系统级芯片 (SoC) 轨提供高达 2.5A 的电流，该器件还含有 3 个面向低噪声模拟电源的 300mA 线性稳压器。为提供 / 吸收电流和跟踪运行情况，LTC3676-1 配置一个 1.5A 降压型稳压器，以支持 DDR 存储器终止，该器件还为 DDR 增加了一个 VTTR 基准输出。这两个引脚从功能上取代了 LTC3676 LDO4 的使能引脚和反馈引脚。LDO 4 仍然可通过 I2C 编程。高度可配置的电源排序功能、动态输出电压调节、按钮接口控制器以及通过 I2C 接口实现的稳压器控制功能支持多个稳压器，另外通过中断信号输出，还提供广泛的状态和故障报告。LTC3676 支持 i.MX6、PXA 和 OMAP 处理器，具有 8 个处于合适功率级的独立电源轨以及动态控制和排序功能。其他特点包括接口信号，例如：待机电压 (VSTB) 引脚，其同时在多达 4 个电源轨上切换编程运行与待机输出电压。该器件采用扁平 40 引脚 6mm x 6mm x 0.75mm 裸露焊盘 QFN 封装。

  图 1：简化的 LTC3676-1 典型应用原理图

  面向应用处理器的 LTC3676 电源管理解决方案可应对前述的工业和军事系统设计挑战。LTC3676IUJ 是高温 (I-级) 版本，额定结温范围为 -40°C 至 +125°C，非常容易满足高温工作要求。该 IC 包括专为结温监视提供的过热警告标记和中断信号，还包括过热硬停机，以在功耗管理不当或万一出现严重故障情况时可靠保护硬件。

  LTC3676 PWM 开关频率专门调整到 2.25MHz，有保证的频率范围为 1.7MHz 至 2.7MHz。其内部稳压器还可以设定为强制连续 PWM 工作模式，以防止在脉冲跳跃模式或突发模式甚至在轻负载时工作。这不仅保持了频率固定，而且进一步降低了 DC-DC 输出电容器上的电压纹波。

  结论

  为工业、医疗或细分市场设计新式移动设备是一项富有挑战性的任务，因为在尺寸日益缩小的空间中提供强大处理能力的要求看似截然相反。不过，由于有了如凌力尔特等供应商提供的器件，系统设计师现在可以采用“折中”方法，用适度集成的 PMIC 满足电源需求。与使用单独的 IC 一步一步地搭建系统或者使用复杂笨拙、高度集成、满足所有功能和固件需求的 PMIC 这两种方法相比，这种折中方法更加实用。

西门子电源模块6ES7307-1EA01-0AA0是调节型电源 PS307 输入：AC 120/230 V 输出：DC 24 V/5 A

  如今，为了给新系统供电，我们对电能的需求越来越大，新系统很多是移动的，它们提高了我们的生活水平。与此同时，环保问题要求我们更加高效地使用能源。

  虽然这些挑战需要我们使用多种政治和经济手段来有效应对，不过有一种技术手段正日益显示出其重要性。高压创新手段能够使电能的传输和转换更加高效，从而降低电源和终端设备间的功率损耗。

  这些创新手段为发电方式带来改变，例如引入可再生能源，并且提升电机和制冷设备等耗电量较大设备的节电性能。这使得能源效率稳步上升，降低成本，并减少温室气体排放。

  即使是微小的效率提升也能带来显著的影响。美国能源信息署(EIA)在其2015年中期预测中估测：到2040年美国的发电量将增加24%——每年增加约1%。EIA还预测，美国的发电量中，有大约6%的电能浪费在供电和配置方面——近几年每年浪费的电量过1400万兆瓦时。通过提高效率，节省一部分浪费电量，便可降低所需的发电量。

  的半导体是使发电、输电和耗电更加高效的重要的技术，这项技术还在不断发展中。使用集成电路实现的智能控制和功率半导体材料可以在小损耗情况下，实现电力转换。智能集成电路硬件可以让电网、工厂、住宅、汽车和其他系统进行高效通信，以及高效控制系统的电力使用。另外，作为电源和电池充电器的骨干，电源管理电路是实现便携式电子设备快速发展的一个重要因素;在提升效率的同时，让生活更加便捷。德州仪器(TI)充分利用其设计、制造和封装的技术，创造高压模拟和混合信号解决方案。这些解决方案在未来几年将把功效提升至全新水平。

  为什么将重点放在高压上?

  电压的变化范围很大，发电厂的电压可以高达几万伏，区域输电线路上则低至不足1伏，这些电压由嵌入式处理器等高速数字组件在内部使用。在配电线路上分布着很多中间电压电平，对消费者来说，熟悉的是110/120伏和220/240伏电压。 对于住宅、商业、工业和汽车应用而言，高压的范围从几十伏到几百伏不等;包括从比电子电路高出一点的电平到运输和工业设备中所使用的电平。

  据市场调查公司IHS的研究数据，在所有电压电平上运行的电源管理集成电路代表对集成电路供应商的巨大需求——这一领域每年金额高达300亿美元。全新的集成电路产品市场不断涌现，比如说AC/DC转换器、逆变器、双向转换器和DC/DC转换器。能够提供高集成度、高功率密度以及高智能化的集成电路解决方案可以进而提高系统的整体性能。

  功率转换是黄金发展领域，因为从电厂到终端应用，每一次电压转换都涉及功率损耗。另外，在相同条件下，输电过程中低压的功率损耗高于高压。出于这些原因，有效的方法就是，在使用限度降低功耗的转换方法对高压进行降压操作之前，尽可能地使高压接近甚至直接进入终端设备。设备和用户附近存在高压时，也需要对机器和人体采取额外的保护措施。

  “设备”一词往往让人联想到工厂车间，实际上，诸如电机、机器人和中央控制系统等工业应用也是电源创新的重要领域。目前，全球的各个行业都在经历智能自动化转型，这次转型的到来如此之快，以至于一些人将其称为“第四次工业革命”(前三次分别为蒸汽机、大规模生产和早期自动化)或工业4.0。在这次转型中，所谓的“智能工厂”起到了决定性作用，它代表了更高的机器智能性和更强的系统通信能力。智能工厂的目标是通过使用更少的能量实现更多的功能，提高生产力，并降低成本。

  “设备”一词往往让人联想到工厂车间，实际上，诸如电机、机器人和中央控制系统等工业应用是电源创新的重要领域。目前，全球的各个行业都在经历智能自动化转型，这次转型的到来是如此之快，以至于一些人将其称为“第四次工业革命”(前三次分别为蒸汽机、大规模生产和早期自动化)或工业4.0。在这次转型中，其中，所谓的“智能工厂”起到了决定性作用，它代表了更高机器智能和更强系统通信能力的可行性。智能工厂的目标是通过使用更少的能量实现更多的功能，提高生产力，并降低成本。

  但是，工业并不是提高电源效率技术的目标行业。能够从中受益的其它领域还包括用于太阳能和风能发电的逆变器、数据中心与电信基础设施。电池电压约为400伏的电动汽车的充电和运行也依靠高压电子器件。另外，各种新兴的移动设备市场的迅猛增长也是新电源技术的主要推动力。即使像手机充电器这样不起眼的部件也需要高效运行，尤其考虑到其使用量高达数十亿。简而言之，所有电气和电子系统，无论大小，都将从安全、高效的电力转换中获益。

  高压技术所带来的挑战

  为了持续满足未来更高的功效需求，技术开发人员必须在减小尺寸、保持可靠性和控制成本的同时，提高集成电路的性能。为满足这些要求，我们需要对制造工艺、片上组件、电路设计和封装进行创新。能够吸引设备开发者以及能加快增强型电源技术的推广应用的是提供具有深度硬件和软件设计支持的集成一体化解决方案。TI在制造高集成低功耗解决方案方面具有悠久的历史，并且在这些领域不断创新，推动技术进步，利用TI技术创造高功率解决方案，以满足当前和未来市场需求。

  近几年，开关模式电源(SMPS)在电力转换领域逐渐发展壮大，其原因在于其固有效率高于传统电源设计。但是，不断完善SMPS设计是一项永不止息的艺术。这些电源在高频时产生电流，但必须防止这些高频流入系统，并且避免其流回电源。另外，电源中的敏感元器件的运行容易受到内部阻抗和周围组件的影响。由于上述原因，SMPS解决方案尽可能地将系统集成，从而帮助降低电源设计的复杂性，并且减少制造成本。如果这个解决方案能够将小外形尺寸隔离与功率电路包含在内，那么效果会更好，其原因是它有效将系统屏蔽于外界干扰，并且防止高频从系统内部迁移到线路上。

  制造工艺精进。制造工艺技术不断地提高SMPS和其他电源设计中所使用的硅芯片的电压和频率处理能力。

  开关模式电源的类函数

  例如，TI的多用途高功率LBC7HV BiCMOS工艺目前用于额定电压高达600伏的集成式栅极驱动器电源开关解决方案。另外，制造厂商也正将注意力转向氮化镓(GaN，构建在硅基板之上)和碳化硅(SiC) 等全新材料，以便在高压下实现更快的开关速度和更高效率。除了众多的基于硅的解决方案，TI还开发了几种GaN开关栅极驱动器，并开始引入含有栅极驱动和GaN电源开关的高级多芯片模块(MCMs)。结合下面讨论的创新组合，制造工艺进步不仅使电源变得更加高效，而且提供更大的功率密度，有助于降低系统成本。

  集成。高压电源的一项重要要求是重新调节尺寸，使其能够封装在终端设备内的电路板上。

  为了满足这一要求，TI计划设计集成众多电源组件的单芯片解决方案，在成本和性能方面更加实用。不论何时，如果由于使用了不同工艺进行功能构建，从而使全系统集成过于昂贵，或者无法实现的话，那么将两个或更多器件集成到MCM中就是一种可行的解决方案。除了节省空间之外，系统级的单芯片和MCM解决方案可提高功率密度，并且减少了对绕组和散热片等无源材料的需要。这种解决方案还简化了设计，因为其可消除或限度地降低让电源设变得十分困难的复杂内部阻抗。

  隔离。单芯片和MCM集成面临的一个巨大挑战就是如何进行隔离。传统电源使用变压器进行隔离，变压器是位于集成电路外部的庞大组件。然而，处于开发当中的全新的隔离方法将免除外部变压器，直接从芯片或MCM内部对系统进行隔离。为了用户安全和设备保护，这一点很重要，增强型隔离是系统正常运行所需基本隔离的2倍或者更多。随着这些提供隔离的集成方法在市面上不断出现，它们将对于节省空间的电源解决方案变得必不可少。

  高频可编程控制器。如果没有控制，即使的栅极驱动器和电源开关对于SMPS来说，也毫无价值;否则，计时中的细微方差将会很快放大为巨大方差，从而降低系统效率。至少，SMPS设计的高频需要高性能状态机提供的数字控制。创软件工具帮助电源设计人员理解如何使用C2000 MCU或UCD3138数字控制器，开发数控SMPS系统的闭环控制功能，从而简化从传统模拟控制方法到数字控制的转换工作。

  高级封装。集成电源解决方案要求创单芯片和MCM封装，以应对高压运行产生的电气性能完整性和热应力要求。封装们必须了解的问题有：材料的类型、接合技术以及防止器件性能退化的保护方法。封装性能会由于高压至低压区域的电荷扩散、高电流密度造成的电迁移或者因此必须从封装中去除的热量而下降。由器件使用寿命内的热机械应力以及其他原因造成的破裂也会导致性能退化。高功率水平时上述问题会被放大，尤其是当集成电路被应用于工厂车间、汽车或其他恶劣环境时。TI正在通过广泛的材料评估、综合性测试以及与材料供应商主动接触和交流来应对上述挑战。

  提供面向未来的高压效率

  随着对更高效电源管理需求的不断增加，对创新技术解决方案的需求也在增加。提升效率有以下几种方式：开发利用替代能源、设计与制造功耗更低的设备以及优化和提升电力传输和转换技术。

  TI如何重新定义高压的未来

  创新的集成电路技术在上述所有领域内发挥着决定性作用，在提供巨大节能潜力的应用中实现高压电力转换。

  随着制造工艺，电路，隔离器、单芯片和MCM集成等组件以及封装的持续发展，电源管理半导体技术也将不断取得进步。设计还将从一体化解决方案中获益，程度减少设计SMPS和其他电源系统的工作量。作为行业内的模拟集成电路制造商，TI在集成低压电源产品方面拥有悠久历史。充分利用丰富精湛的知识和持续专注的技术创新，TI正在快速地向前发展，旨在开发出高压解决方案，以满足客户需求、节约能耗、实现更加美好的未来。