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【回顾与展望】“新基建”带来产业发展机遇,ADI升级中国产品事业部加快融入本地生态

——半导体厂商共话“新基建”的2020与2021
2020-12-31
作者:王洁
来源:电子技术应用

2020年注定是不平凡的一年,新冠疫情突如其来扰乱了我们正常的学习、生活、工作对全球经济也造成了巨大的冲击。与此同时新基建”在这一年频频被刷屏,成为中国经济的一大“热词”。

4月20日,国家发改委首次明确了新型基础设施的范围,包括信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施三个方面。5月22日,“新基建”正式写入政府工作报告。《报告》提出:“加强新型基础设施建设,发展新一代信息网络,拓展 5G 应用,建设充电桩,推广新能源汽车,激发新消费需求、助力产业升级。”当前,官媒盖章的“新基建”主要包括七大领域:5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网。

近期,《电子技术应用》邀请了具有广泛代表性的多家半导体厂商,一同就“新基建”的话题,回顾2020、展望2021!

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ADI 中国区工业市场总监 蔡振宇

ADI 中国区工业市场总监蔡振宇表示,中国的“双循环”和“新基建”为全球展示了疫情后重建的一种最好的方式和战略。中国速度与中国体量相结合,正构建经济发展的“双循环”新格局,内循环是将来中国主要发展经济的引擎,外循环则是促进经济全球化和多国协同合作的多边思维,在此重要经济基础发展策略下,新基建则成为了其中的关键。疫情对人与人之间的沟通、互动甚至生产方式带来影响和不确定性,使我们要重新思考怎样重构销售渠道、生产链、供应链的布局,以及怎样促进传统行业的数字化转型。这将是今后所有企业面临的一个核心战略重点。

随着中国产业升级,迈向数字化,中国市场在全球扮演着重要角色,双循环与新基建等国家战略的实施,为中国产业带来前所未有的发展机遇。近日,亚德诺半导体(中国)快乐赛车正式成立后,亚德诺半导体(中国)快乐赛车将拥有更多的本地决策能力,决定产品与技术的投资方向,敏捷地响应本地市场的创新需求,原ADI中国研发中心相应升级为ADI中国产品事业部,其角色从支持全球研发,转向为中国市场量身开发定制产品。这将使ADI中国更好地融入本地产业生态,为中国客户服务。

5G

新基建下5G的广泛部署为产业带来发展机遇。5G技术带来的复杂性、频谱扩展、更宽带宽和高通道数,以及要求降低尺寸、重量、功耗(SWaP)和成本,并支持所有当前和新兴的蜂窝标准,从传统的2G/3G协议到4G以及5G部署。通信设备商需要一个强大的全新解决方案,既能支持新兴宽带应用,又能提供现有应用所需的高性能的单一无线电平台将受到欢迎。

此外,大多数通信设备制造商都在压力的驱使下提高其系统的数据吞吐率和性能,以及添加更多的功能和特性。同时,他们也面临着降低系统总功耗的压力。例如,常见的挑战包括,为了降低总功耗,需要重新安排工作流程并将作业转移到未充分利用的服务器,从而使其他服务器能够关闭。要满足这些需求,了解终端用户设备的功耗是非常必要的。因此,经过恰当设计的数字电源管理系统(DPSM)可以向用户提供功耗数据,帮助做出明智的能源管理决策。

在这样的产业环境下,像ADI公司RadioVerse™射频收发器系列这样的最新平台提供了全面的解决方案,可提供市场上最宽带宽、最高性能的解决方案。它的高度集成式架构可简化系统设计,降低SWaP和成本,并缩短上市时间。为各种广泛的应用提供高效解决方案,包括通信、航空航天与防务以及电子测试和测量(ETM)。例如:ADRV9008/9平台可实现多标准射频拉远头的设计,并可缩减尺寸和成本;通用平台将不同频段和功率要求的产品开发时间缩短50%,同时还可简化现场部署和维护;ADRV9008/9通过内部LO支持多芯片相位同步,支持高性能的数字波束成形,同时降低尺寸、重量和功耗;简化的设计要求加快了大规模MIMO的上市时间。像ADI公司的ADMV1013和ADMV1014,它们是高集成度微波上变频器和下变频器,这些IC在24 GHz至44 GHz的极宽频率范围内工作,提供50 Ω匹配,使得在构建的单一平台上可以支持所有5G毫米波频带(包括28 GHz和39 GHz),从而有助于简化设计并降低成本。

对于电源技术而言,5G时代面临的挑战很大,设备越来越小,带宽越来越宽,功率越来越高。在新一代基站设计上,像ADI就提供了很多好的设计方案,如POE通过传输数据的网线给电源供电,设计要考虑板上需要哪些模块,相关模块怎么做集成化等。ADI提供了业界领先的解决方案,满足小尺寸、大功率电源需求,例如双通道 50A 或单通道 100A 降压型μModule® (电源模块) DC/DC 稳压器LTM4700,单片能做到100安培。基站使用PoE供电能节省非常多的成本,由于拉线成本很高,ADI的PoE供电从802.3at、af、bt到LTPoE++,功率从13W直到90W,最新的POE可以支持150W,也就是说普通的小基站,一根网线就能提供过去数据和电源的功能,同时POE供电加上模块设计,可以让基站电源的设计更简化。

此外,要满足5G通信的要求,必须先对它们进行测量和测试,前所未有的测试测量规范将对测试系统设计带来挑战。作为拥有深厚的领域知识和专业知识的合作伙伴,ADI帮助客户规划和构建高性能的测试和测量设备,使5G网络基础设施成为可能。ADI拥有市场上最全面的产品组合之一,可用于应对5G ET&M挑战。ADI与全球及中国本地多家业界测试测量领导厂商建立了广泛的合作,为5G测试测量设备提供了关键解决方案。

工业互联网

工业物联网的优势是能够充分利用传感器采集的不断增加的数据做出更好的决策,而在整个工业自动化系统中,能否及时获取和传输数据取决于网络连接。其中,工业以太网发挥着越来越重要的作用。但几十年的发展历程导致工业以太网协议和拓扑形式众多,越来越多的工业自动化技术供应商和制造商都希望能获得独立于制造商的开放式通信平台。因此,未来的工业物联网应用必须支持各种常见的网络拓扑,如PROFINET、EtherNet/IP®、EtherCAT®、POWERLINK®等常用工业以太网协议,以及线状和环状拓扑和星形拓扑。

ADI打造的fido5000系列产品是具有两个以太网端口的实时以太网、多协议 (REM) 交换芯片,是可编程的 IEEE 802.3 10 Mbps/100 Mbps 以太网互联网协议版本 6 (IPv6) 和互联网协议版本 4 (IPv4) 交换机,可虚拟支持任意 2 层或 3 层协议。另外,它可以连接任何主机处理器,这让开发人员可以使用自己的处理器和他们首选的开发环境。fido5000还支持时间敏感型网络 (TSN)。

而ADI推出的新型ChronousTM系列工业以太网解决方案当中的ADIN1300,进一步致力于解决部署具有低延迟和较小封装尺寸的工业以太网连接方面的重要挑战,以确保实时可靠的工业通信,从而缩短工业以太网网络周期时间。这是一款工业以太网物理层(PHY)产品,以帮助制造商应对关键的工业4。0和智能工厂在通信上的挑战,包括数据集成、同步、终端连接和系统互操作性。

有线通信领域,包括RS-485在内的典型现场总线技术与传统过程控制和电机控制网络,ADI基于领先的模拟技术、隔离产品以及处理器等的开发,提供了广泛的软件可配置IO、现场仪器仪表、高效伺服驱动系统等方案。例如ADI最新推出的四通道、软件可配置输入/输出套件AD74413R与AD74412R,将有助于开发现场可配置远程I/O单元,将传统的现场设备与网络连接,实现传统仪器仪表与高层级以太网网络的融合。

在工业环境中,低功耗、稳定可靠的无线传感器网络由于部署与维护的便利性正在成为更多工业应用场景的网络连接补充选项,ADI提供的2.4GHz频段的SmartMesh IP网络就是其中的卓越代表。这个网络最大的特点是实现了达到99.999%的高数据传输可靠性Mesh网络,并且功耗极低。同时,SmartMesh还是一个时间同步网络,可以做到各个节点的时间精确同步,便于很多需要同步的场合。由于其高可靠性,非常适合于对网路传输可靠性要求很高且希望免维护使用的工业应用场合。对于SmartMesh IP,ADI不仅提供高性能的芯片和产品化的模组,甚至可以为客户提供全套解决方案。SmartMesh网络目前已经被应用于全球数据中心、工业自动化、风力发电、输油管线、交通运输等领域。

新基建下工业互联网最大的价值便是工业应用的落地其中包括激增的高质量传感器、可靠连接和数据分析,不断提高的智能节点自动化程度对传感器进行精密数据捕捉与位置跟踪要求也与日俱增。近些年越来越多被提及的设备状态监测CBM则引入了以振动监测为核心的技术,把旋转设备的振动状态采集分析以进行产品性能、生产效率与附加值的进一步提升,这是最具现实经济意义也最容易落地的应用。

人工智能

人工智能发展到今天,已经广泛应用到我们生活的方方面面,ADI的工业设备监测解决方案中就有用到人工智能。其中,ADI的OtoSense体系结构就是一款人工智能驱动的传感和解译平台,能够实时在线和离线获取、学习并感知边缘的任何单向信号(声音、振动、压力、电流、温度等),用于连续状态监控和按需诊断,能够在问题变得严重之前确定工厂机器或汽车发动机中的潜在问题。为进一步加强基于状态监测的预测性维护解决方案,ADI还收购了专门从事电机和发电机预测性维护的公司Test Motors,将ADI原有的工业状态监测解决方案技术,以及OtoSense的人工智能平台传感解译软件与Test Motors的监控功能相结合,创建更优化的解决方案,通过捕获更广泛的潜在故障为机器提供更先进、全面的健康状况监测。

要实现人工智能,数据采集很重要。OtoSense的人工智能平台依赖于包括高性能MEMS加速度计在内的各种传感器进行数据采集。例如ADXL100x系列单轴加速度计针对工业状态监控应用而优化,测量带宽高达50 kHz,g值范围高达±100 g,并且拥有超低的噪声性能,旋转机械中发生的主要故障都在ADXL100x系列状态监控加速度计的测量范围以内。而集成的模块产品ADcmXL3021还将高性能振动检测和各种信号处理功能相结合,可以跟踪许多机器平台上的振动信号,可简化状态监测系统中的智能传感器节点开发周期。

数据中心

稳定可靠电源供应能力是新基建数据中心建设中的一大痛点,特别是在狭小空间内实现各类处理器,像ASIC、CPU、FPGA低至0.6-0.8伏的核心电压与50-800安培超高电流高稳定性供电系统设计的极具挑战性,需要顶级的电源的高可靠性和高效的DCDC转换解决方案来实现。

ADI的µModule® (微型模块) 产品是完整的系统级封装 (SiP) 解决方案,可最大限度缩短设计时间,并解决工业和医疗系统中常见的电路板空间和安装密度问题。这些 µModule 产品是完整的电源管理解决方案,其在紧凑的表面贴装型 BGA 或 LGA 封装中内置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器。在设计中采用 ADI 的 µModule 产品,最多能使完成设计过程所需的时间锐减 50%(取决于设计的复杂程度)。µModule 系列将组件选择、优化和布局的设计负担从设计师转移到了器件身上,从而缩短了总体设计时间和系统故障排除过程,并最终加快了产品上市速度。

以µModule 产品系列中的LTM4700 降压型 DC/DC 电源稳压器为例:LTM4700兼具同类产品最高功率和用以降低数据中心基础设施冷却要求的高能效,使得数据中心运营商能够提高其服务器的密度和性能;可提供双路 50A 或单路 100A 配置,采用的创新封装技术实现了在服务器密度增加以及数据中心吞吐量和计算能力提升下,对系统尺寸和冷却成本的影响微乎其微;LTM4700 在 4。5V 至 16V 的输入范围内工作,其输出电压在 0。5V 至 1。8V 的范围内进行数字控制;集成式 A/D 转换器、D/A 转换器和 EEPROM 使得用户能够采用一个 I²C PMBus 接口对电源参数进行数字监视、记录和控制;开关频率同步至一个频率范围为 200kHz 至 1MHz 的外部时钟,以满足那些对噪声敏感的应用;等等。LTM4700 还拥有针对过压和欠压、过流和过温等故障情况的自保护和负载保护功能。

新能源充电桩

半导体技术的进步让功率器件开关频率得到快速有效提升,从而让充电桩得以实现更大功率充电。IGBT从过去的20k左右提升到现在的40k到50k,而氮化镓(GaN)和碳化硅(SIC)MOSFET器件可以达到更高的开关频率。然而,驱动方式是达到这些开关器件所需开关频率的关键,而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高,采用的栅极驱动器的传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率产生关键的影响。

为了操作MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极,使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸,正确选择这类解决方案非常关键。与传统的基于光学隔离式栅极驱动器相比,ADI提供的iCoupler隔离式栅极驱动器提供了良好的栅极驱动特性和隔离性能。

传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(例如150—200纳秒),而iCoupler栅极驱动器传输延时在50—60个纳秒左右,从而大降低减小了传输延迟,并且传输延时一致性更好,更低的传输延迟和延时一致性有助于提高开关频率和效率。此外,隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一,更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说,即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。

以ADI最新的iCoupler栅极驱动器ADuM4136为例:ADuM4136可实现150 kV/µs的共模瞬变抗扰度(CMTI),以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET;加上去饱和保护等快速故障管理功能,设计人员可以正确驱动高达1200 V的单个或并联SiC MOSFET。iCoupler磁隔离的固有优势使得这些特性明显优于光隔离栅极驱动器,可以确保充电机在不牺牲效率的情况下,在功率变换器中实现超高的功率密度。

此外,从功能安全和用户人生和财产安全来说,良好的隔离性能也非常关键。充电桩的充电机功能电路中的隔离式栅极驱动器发挥的隔离功能就非常关键,实现充电模块中功能电路之间的电气分离,使得它们之间不存在直接导通路径,从而提升安全性能。

特高压

特高压输电不仅仅是建成一条输送线路,它还需要很多的变电站(针对交流输电)及换流站(针对直流输电)来保证电压等级的变换电力输送的安全可靠,同时可以对不同类型的终端客户做到按需分配电力及交直流的切换。这就需要非常多的设备和控制系统,简单来说一次设备(直接连接高电压大电流,像变压器、开关和换流器等)和二次设备(用来监测和控制一次设备的智能控制设备),一次设备更多的是金属和绝缘材料;而二次设备则是监测和控制一次设备的,它提供了更多的智能选项。

在电力二次设备中由智能感知技术来感知电压电流及外部环境的变化,根据需求和具体的变化,由控制技术来完成对于故障的切除及保护、电力运行的测量控制及保护、日常的维护及保养等各类工作。智能感知或者说精确的检测到电压电流的变化是整个控制及保护的关键,而对感知数据能及时做出判断并能快速发出控制指令的智能器件是不可缺的,能够把各种各类传感信号和不同设备及电站的信号统一协调起来对网络及通信要求也会越来越多,半导体技术在这里扮演了重要的角色,集成电路可以把模拟的电压电流信号转换成数字信号并进行调理,由微控制器来完成逻辑判断并发出控制命令,并能将各类收集整理好的信号输送到其它装置及设备中,由多种半导体芯片组成的信号链可以满足智能设备所有的功能要求。

相对于高电压大电流的一次设备来讲,二次智能设备会有更多的变化及快速的技术演进。例如,对于电力设备的电压电流检测,传感器通常采用电压和电流互感器(PT/CT),信号调理从早期的运放加12位ADC,到信号调理集成加多通道同步采样16位ADC,只用了几年的时间,而且还一直在不停的演进中。目前在电力二次智能设备中用的最多是由ADI提供的AD7606及AD7606B,它的多通道同步采样、高输入阻抗及内嵌信号调理、满足单电源供电双极性输入、高转换精度及更高的输入电压容忍度等特性,都会给电力应用特别是在特高压应用以最好的支撑。未来对于半导体集成电路的需求会越来越高,更高的精度、更高的集成度、更简化的系统设计、更高的可靠性及兼容性等要求都会在今后的几年或几十年里促进半导体芯片技术不断地提高与完善。这也会促进与改善整个特高压技术的不断完善,在提高安全可靠的技术的同时能让特高压技术更好地满足未来的需求。

当前的新基建,新能源汽车充电桩、储能、数据中心、高铁和城市轨道交通等也都成为新的投资热点,它们都需要能源及电力的强有力的支持,特高压输送的电力将会直接应用在这些领域。而这些领域对于半导体芯片的需求同样强烈,技术演进及安全可靠的要求同样迫切,ADI作为全球领先的半导体公司,可以提供多种高性能芯片来满足各类应用的需求,并将竭尽全力去支持不断发展变化的特高压技术及各类相关的应用。


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