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Abracon新推出的ABCM-51驯服时钟模块是一款高稳定性的GPS驯服恒温晶体振荡器(OCXO),专为需要卓越频率精度的应用场景设计。

ABCM-51系列GPS驯服时钟模块是高精度和高可靠性时钟系统中的关键组件,它充分利用了 GPS 技术和高品质晶体振荡器的优势,通过接受 GPS 卫星的1PPS(每秒1脉冲)信号来驯服并校正振荡器的频率,从而提供高精度、稳定的时钟源。采用GPS/GNSS驯服时钟模块(GPSDO)具有多项优势,尤其适用于在时钟和频率控制方面要求高精度的应用场景。

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通过利用GPS同步,ABCM-51系列振荡器能够保持长期的频率稳定性,是电信、工业自动化和科学仪器等领域的理想解决方案。它具备超低相位噪声和出色的保持性能,确保在关键任务系统中稳定运行——在这些系统中,即使是微小的定时偏差也可能影响整体性能。

ABCM-51驯服时钟模块在先进通信网络、工业自动化和精密科学仪器中发挥着重要作用。在5G和电信网络中,它确保基站同步,提高网络效率并减少延迟。在工业自动化和智能电网系统中,它提供精确定时,实现无缝的数据交换和控制。在测试测量设备中,其低相位噪声确保了准确的信号分析。此外,在航空航天和国防应用中,它为雷达同步、安全通信和导航系统提供支持,在这些应用中,高可靠性的定时至关重要。

凭借 GPS 同步频率控制、卓越的稳定性和超低相位噪声,ABCM-51 驯服时钟模块成为新一代精密时钟应用的突破性解决方案。

产品优势

- GPS驯服频率控制:采用1PPS GPS信号持续校正频率误差,确保长期的超高精度,是需要精确同步的系统的首选,如5G基站和网络定时基础设施。

- 卓越的频率稳定性:该振荡器设计旨在实现超低频率误差,在电信和卫星通信领域提供卓越的频率稳定性,确保可靠的信号传输。

- 超低相位噪声:作为高性能应用中的关键参数,低相位噪声提升了雷达系统、测试测量设备和精密传感器的检测精度。

- 高可靠性保持性能:在GPS信号中断的情况下,ABCM-51会进入保持模式,并维持精确的频率稳定性,因此适用于无法立即重新同步GPS的连续定时应用。

- 强大的环境适应性:经过专门设计,ABCM-51能在极端条件下保持稳定,在较宽的工作温度范围内维持稳定的性能,确保在工业、航空航天和国防应用中的可靠性。

- 紧凑高效的集成性:ABCM-51外形小巧,低功耗,能无缝集成到空间和功率受限的系统中,同时保持高性能。

产品特性

- 锁定1PPS信号

- 温度频率稳定性:±0.2 ppb

- 保持性能:±1.5 μs / 24 h (@±2 °C)

- 提供 1 PPS 和 10 MHz 输出   

- 工作电源电压:+5Vdc

- CMOS输出

- 支持 UART 接口

- 符合REACH/ RoHS II标准

应用场景

- 有线或无线通信  

- 专用电力网络

- 工业控制  

- 仪器仪表  

- 广播  

- 金融交易  

- 导航  

- 追踪

产品参数

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来源:Abracon艾博康

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Chroma IoT Gateway支持多种工业通信协议与模块化部署,构建高兼容性的 OT 数据整合架构,提升系统适应性与联通效率。

随着制造业数字化转型和 ESG 能源管理需求持续增长,Chroma 推出 IoT Gateway(型号:98019-IG),搭配 DCN-820(型号:98015-820)工业计算型数据采集设备,协助企业构建模块化、具良好稳定表现的 OT 数据整合架构,广泛适用于设备集成、工艺对接与能耗监测等场景。

  1. 多协议设备整合

    支持 OPC UA、MQTT、Modbus、SECS/GEM 等多种工业通信协议,无需改造原有设备,即可整合 PLC、工控机及自动化设备等异构系统,加快工厂数据接入与平台对接。

  2. 工厂设备数据协同,推进智能制造

    可整合来自测试设备、HMI 及物流工位的数据,统一格式后上传至 MES 或 BI 平台,实现测试记录管理、工单对应及工艺流程可视化。系统亦可通过通信接口控制外部设备,适用于测试自动化、条件触发与设备联动等场景。

  3. 企业能源与 ESG 数据监测

    可连接智能电表、插座及环境传感器,将能耗数据实时传输至能源平台,用于支持 ISO 50001、碳足迹盘查及异常能耗监测,助力企业优化能耗数据监测,配合可持续发展目标实施。

Chroma IoT Gateway 解决方案在 ESG 能源管理架构:通过 DCN-820 采集智能电表、DCN-100 插座及各类传感器的数据,实时上传至能源管理平台,并可通过通信接口实现与外部设备的联动控制,支持碳盘查、能耗异常告警及能源数据可视化分析。

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(▲Chroma IoT Gateway 解决方案在 ESG 能源管理架构)

Chroma 持续深耕智能制造应用,从数据连接、协议整合、设备控制到平台分析,提供完整的数据整合方案。通过模块化设计与灵活授权机制,帮助企业降低整合与运维成本,提升数据实时掌握与决策效率,构建更稳定、灵活、智能的工业数据基础架构。

相关产品讯息可链接到 Chroma官网,并留下您的需求与联络方式,我们将竭诚的为您服务!

来源:Chroma智能制造销售服务中心

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最新更新包括支持Rubrik、MongoDB,以及为加密SQL转储节省存储空间

ExaGrid®提供业界唯一具有保留时间锁定功能的分层备份存储解决方案,包括非面向网络的分层(创建分层气隙)、延迟删除和勒索软件恢复的不变性。该公司今天宣布发布ExaGrid软件版本7.3.0,并于2025年7月开始发售。

ExaGrid软件版本7.3.0新增对业内领先的备份应用程序和工具的支持。

更新包括:

  • 支持Rubrik备份软件

    • 启用Rubrik归档层或具备即时归档功能的Rubrik归档层

  • 支持MongoDB Ops Manager

  • 加密Microsoft SQL Server直接转储的重复数据删除

  • 如果在SQL应用程序中启用了加密(TDE),ExaGrid则可通过其先进的自适应数据去重技术实现约4:1的数据压缩比

  • 如果SQL数据库未加密,ExaGrid将实现10:1至50:1的数据去重比率

ExaGrid分层备份存储易于安装和使用,可与超过25款备份应用程序无缝集成,支持同时从多个备份应用程序进行备份,从而使企业能够保留对现有备份应用程序和流程的投资。

ExaGrid总裁兼首席执行官Bill Andrews表示:“ExaGrid持续扩展并优化与行业领先备份应用程序及工具的集成。我们很高兴能够将Rubrik和MongoDB纳入我们所支持的备份应用程序范围,同时通过TDE加密的SQL数据库转储,优化存储并节省成本。ExaGrid始终致力于提供应对备份存储各种挑战的解决方案,并期待通过发布版本7.3.0为现有及未来客户提供更多价值。”

关于ExaGrid

ExaGrid提供分层备份存储产品,具有独特的磁盘缓存着陆区、长期保留存储库、横向扩展架构和全面的安全特性。ExaGrid的着陆区可实现超快的备份和还原速度以及即时虚拟机恢复。存储库层极大降低了长期保留成本。ExaGrid的横向扩展架构包括全套设备,并确保随着数据的增长提供固定备份期限,从而避免成本高昂的叉车式升级和计划中的产品过时淘汰。ExaGrid提供独有的两层备份存储方法,且具有非面向网络的分层(分层气隙)、延迟删除和不可变对象,可帮助从勒索软件攻击中恢复。

ExaGrid在以下国家和地区设有实体销售和售前系统工程师:阿根廷、澳大利亚、奥地利、荷比卢、巴西、加拿大、智利、独联体、哥伦比亚、捷克共和国、法国、德国、中国香港、印度、以色列、日本、墨西哥、北欧、波兰、葡萄牙、卡塔尔、沙特阿拉伯、新加坡、南非、韩国、西班牙、瑞士、土耳其、阿联酋、英国、美国和其他地区。

请访问 exagrid.com 或在 LinkedIn 上与我们活动。如需了解我们客户的亲身ExaGrid体验,并了解为什么他们目前在备份存储上花费的时间大大减少,请阅读 客户成功案例 。ExaGrid为其+81的NPS得分而自豪!

ExaGrid是ExaGrid Systems, Inc的注册商标。所有其他商标均为各自持有人的财产。

免责声明:本公告之原文版本乃官方授权版本。译文仅供方便了解之用,烦请参照原文,原文版本乃唯一具法律效力之版本。

在 businesswire.com 上查看源版本新闻稿: https://www.businesswire.com/news/home/20250722769578/zh-CN/


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产品概述

在开发智能硬件或嵌入式系统时,你是否遇到过这样的问题:主控芯片的GPIO(通用输入输出)引脚不够用?按键、传感器、LED、显示屏…外设越来越多,资源却捉襟见肘。今天为大家介绍一种硬件设计的“神器”—GPIO扩展IC,低成本实现引脚扩展。

力芯微推出的这款经典8位I2C GPIO扩展芯片ET6408,支持1.65~5.5V电平转换,对于系统设计来讲可以体现以下几点优势:

1. 成本优化:无需升级高价主控,低成本芯片解决引脚短缺问题。  2. 简化设计:减少PCB布线复杂度,尤其适合空间紧凑的产品。  3. 灵活配置:支持输入/输出模式切换,具备中断功能。  4. 低功耗:专为扩展设计的芯片,功耗远低于额外MCU方案。

产品特性

  • 8bit GPIO扩展

  • 工作电压范围:1.65V to 5.5V

  • 支持双向电平转换

  • 极低的静态电流损耗:

    典型值1.5uA@VDDP=5V;

    典型值 1.0uA@VDDP=3.3V

  • IO输入/输出独立可配

  • 硬件复位输入信号,低电平有效

  • 400 KHz 快速模式(Fast-mode)I2C总线,2个I2C拓展地址

  • 输出具有推挽和开漏方式

  • 上下拉电阻配置

  • SCL/SDA 输入端口噪声滤波

  • GPIO端口最大驱动能力 25mA,直接驱动 LED

  • 封装形式:

    BGA16(1.6mm x 1.6mm);

    TSSOP16(width 4.4mm );

    QFN16 (3mm×3mm)

管脚定义

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典型应用

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来源:力芯微电子

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2025年7月23日 - 安立公司宣布,该公司帮助AMD加快了对预生产EPYC™ CPU的PCI Express®(PCIe®)规范的电气合规性测试。使用安立高性能误码仪MP1900A实现64 GT/s的最大数据速率,在具有挑战性的反向信道条件下进行测试,插入损耗超过CEM规范中规定的27 dB,同时使用扩频时钟(SSC)施加压力条件。   

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AMD服务器工程副总裁Amit Goel表示:“我们与安立公司合作,实现了高达64 GT/s的电气合规性的稳定演示。这一早期验证进一步推动了我们为下一代AMD EPYC™ CPU驱动的未来平台提供可靠、高速I/O的承诺。”

安立公司董事、高级副总裁、测试测量公司总裁Takeshi Shima表示:“AMD是推进PCIe技术的关键技术合作伙伴。我们将继续响应各种测试需求,扩展PCIe合规性测试的功能,同时通过向标准组织提出建议,为PCIe设备的质量评估和设计效率做出贡献。”

PCIe 6.0技术作为CPU、GPU、SSD和网卡等内部设备之间高速接口的下一代标准,提供单通道64 GT/s带宽,使用16个通道可达256 GB/s带宽。在保持与先前标准兼容的同时,它在AI、HPC(高性能计算)和高速存储等领域实现了高度可靠和高效的通信,极大地提高了下一代数据中心和分析系统的性能。

关于安立

安立公司是一家拥有130年历史的创新通信解决方案供应商。公司的测试和测量解决方案包括无线、光通信、微波/射频和数字仪器,支持了系统以及研发、制造、安装和维护的解决方案。安立还为通信产品和系统提供精密微波/射频元件、光器件和高速器件。安立通过增加用于网络监控和优化的多维服务保证解决方案为现有和下一代有线和无线通信系统以及服务供应商提供完整的解决方案。安立业务遍布 90 多个国家,拥有约4,000名员工。

来源:安立通讯科技Anritsu

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2025年7月24日——中国数字EDA/IP龙头企业上海合见工业软件集团有限公司(简称“合见工软”)与中国RISC-V软硬件生态领导者赛昉科技共同宣布双方的突破性技术合作成果。

赛昉科技自主研发的一致性片上网络(NoC)IP——昉·星路-700(StarNoC-700)已成功适配赛昉科技昉·天枢(Dubhe)系列RISC-V处理器核心(Dubhe-70/83)。这一关键项目应用了合见工软的全场景验证硬件系统UniVista Unified Verification Hardware System (UVHS),显著提升了众核RISC-V系统的验证规模和效率,为国产高性能算力芯片的开发提供了强有力的支撑。

一致性NoC IP是RISC-V技术落地高性能算力场景的核心要素,是面向高性能计算、AI、数据中心等场景处理器的核心基础IP。赛昉科技以一致性NoC IP为基础,并配合自研的高性能RISC-V CPU IP,构建了多核/众核片上网络算力子系统平台。合见工软始终致力于为国产芯片设计行业提供高性能自主可控EDA技术,助力开源RISC-V处理器的芯片创新与生态建设。

此次合作中,赛昉StarNoC-700 2X2 拓扑 + 3核 Dubhe RISC-V CPU设计,仅用时两周就成功部署在合见工软全场景验证硬件系统UVHS的硬件仿真加速平台上,并得益于UVHS硬件仿真Emulation模式下DUT时钟6.25M的性能,快速验证了NOC网络中的核间一致性、多核性能线性度以及带宽线性度,测试结果完全符合设计目标。未来双方将继续深入合作,扩大NoC规模及更多RISC-V核心,考虑扩展到3x3、4x4的NoC拓扑,核心数量也将上升到16/32/64的规模。同时考虑到SoC设计接口的复杂性,后续也会引入诸如PCIe5、MIPI2.0等更多的高速协议的速率适配器和XTOR及DDR5 MMK存储模型方案验证,推动 RISC-V技术创新并加快下一代产品技术的上市时间。

StarNoC-700一致性NoC IP:

  • 采用 Ring/ Mesh 架构

  • 采用 CHI.E 协议

  • 分布式CCU节点,包含Snoop Filter & System Level Cache

  • 支持与非一致性 AXI 组件/ 总线网络连接

  • 支持灵活配置:用户通过参数自定义

  • 一致性高性能总线网络Mesh NoC

  • 低速控制网络 Control NoC

合见工软全场景硬件验证平台UVHS:

  • 高性能算力支撑:原型验证模式性能高达20+MHz,硬件仿真模式性能高达10MHz

  • 大规模系统级联:UVHS系统支持大系统级联,最多可以级联上百亿逻辑门的规模。目前已经在更多商用客户成功部署级联,实现了最大160片VU19P FPGA的级联,满足HPC超大系统规模验证的需求。对于赛昉未来的RISC-V大型系统扩展,UVHS系统可以完美满足需求。

  • 丰富的高速接口和存储模型:UVHS提供了丰富的高速接口和存储模型方案,支持PCIe Gen5、MIPI CSI2/DSI2、Ethernet 1G-800G等多种接口,以及DDR5、DDR4、LPDDR5、LPDDR4、HBM3等存储模型,帮助用户快速搭建完整的全场景验证系统。

赛昉科技IP产品线总经理周杰表示:“赛昉科技StarNoC-700是首个适配RISC-V的国产mesh拓扑NoC IP,打破了国内在高端NoC IP领域对国外技术的依赖,标志着全国产RISC-V众核子系统实现技术闭环。合见工软UVHS产品的高扩展性和自动化分割能力为StarNoC-700与RISC-V的适配提供了硬件平台支撑,双方将携手为用户构建针对高性能应用场景需求的超大规模众核子系统网络。”

合见工软副总裁吴晓忠表示:“RISC-V凭借开源、灵活等特点,覆盖了从通用计算到专用领域的全场景需求,是国产智算生态中的重要突破方向,赛昉科技自研处理器及NOC IP是国产RISC-V技术在智算时代的突破创新的重要推动力。合见工软UVHS全场景硬件验证平台在赛昉科技RISC-V NoC IP和处理器系统中的应用,为其在多核算力系统搭建中大幅提升验证效率,助力处理器性能提升。基于合见工软在多家智算和HPC大芯片项目中的成功部署经验,我们期待持续赋能赛昉科技的技术创新,共同推动中国RISC-V生态体系建设,提供更智能高效的EDA解决方案。”

关于合见工软  

上海合见工业软件集团有限公司(简称“合见工软”)作为自主创新的高性能工业软件及解决方案提供商,以EDA(电子设计自动化,Electronic Design Automation)领域为首先突破方向,致力于帮助半导体芯片企业解决在创新与发展过程中所面临的严峻挑战和关键问题,并成为他们值得信赖的合作伙伴。

了解更多详情,请访问www.univista-isg.com

关于赛昉科技  

作为中国RISC-V技术与生态领导者,掌握RISC-V CPU与一致性互联总线技术两大核心技术,已成功交付多款RISC-V CPU IP及一致性NoC IP产品,包括赋能广泛高能效场景的昉·天枢(Dubhe)系列RISC-V CPU IP,以及首款适配RISC-V Core的国产NoC IP 昉·星路-700(StarNoC-700)。

了解更多详情,请访问www.starfivetech.com

来源:合见工软 UNIVISTA

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Portescap面向工业电动工具市场荣耀推出最新款、创新型40EC-Pro PowerTool (PT)无刷无槽电机。此电机有两款长度:44mm的40EC-Pro PT 44和55mm的40EC-Pro PT 55。值得注意的是,40EC-Pro PT 55是Portescap的首款配有集成风扇的电机,可以对电机进行主动冷却,使持续功率从150W提升至425W。两种型号的电机均采用创新性装配工艺,在优化成本的同时,确保能以优惠的价格提供最卓越的性能。 

由于采用了无槽设计,40EC-Pro PT电机的转速可达30,000 rpm,确保能在低压情况下 依然保持高性能运转。凭借先进的电磁设计,电机可将最高峰值扭矩(1.1Nm)保持2秒钟时间。电机重量仅230克,直径40mm,精致小巧,不仅可以满足小型化应用需要,而且也有助于提高工具的工效学。 

4极BLDC电机可与R32及R40减速器和M-Sense编码器兼容,不仅可以实现低转速高扭矩,而且定位更精准。Portescap可根据特定的应用需求提供电机电气参数及机械接口定制化设计。 

40EC-Pro PT电机可大大提高电池供电(尤其是使用18V电池)手持工具的效能,其中包括电动拧紧器、紧固工具及手持式扎带、装订、铆接、压接及切削工具等等。40EC-Pro PT电机可推动手动工具向电动设备转换,并支持从有刷电机过渡到无刷电机技术

以下是相关产品的详细参数。

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电机亮点

• 集成风扇,使持续功率从150W提升至425W (40EC-Pro PT 55)

• 两种长度款可选 (44mm与55mm)

• 转速最高可达30,000 rpm

• 峰值扭矩最高可达1.1Nm• 重量轻:230克

• 温度传感器可用的应用

专为电动工具市场而做的一款电机!!!

• 电动拧紧器

• 紧固工具

• 铆接工具

• 压接工具

• 扎带工具

• 装订工具

查看电机规格目录

需要有关产品的更多信息?我们的目录列有电机规格、图纸和其他重要的详细数据。

链接:https://www.portescap.com/-/media/project/automation-specialty/portescap/portescap/pdf/full-catalog/digital_product_catalog_cn.pdf

来源:Portescap微电机

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作者:Xingxuan Huang,高级应用工程师

摘要

新型超低噪声开关稳压器具有超低噪声、高效率、小尺寸和大电流的特点,非常适合各种对噪声敏感的射频应用场景,包括5G/无线通信、防务领域、仪器仪表等。Silent Switcher® 3进阶型开关稳压器系列拥有超低的输出噪声,在低频范围(0.1 Hz100 kHz)内,其噪声甚至比大多数低压差(LDO)稳压器还要低。本文研究了与传统的降压式稳压器加LDO稳压器解决方案相比,在噪声敏感型RF系统中应用超低噪声开关稳压器所面临的挑战和带来的系统优势。此研究基于两个具有代表性的RF应用案例研究:一个是高性能锁相环(PLL)时钟,另一个则是进阶型高速模数转换器(ADC)系统。通过合理的控制回路和滤波器设计,基于超低噪声开关稳压器的新型单级解决方案可为客户节省印刷电路板(PCB)空间和成本,具有解决方案尺寸更小、结构更简洁、效率更高的特点,同时仍能保证出色的系统性能。

引言

射频(RF)系统对电源解决方案的噪声性能提出了更严格的要求,因为要应用于包括航空航天与防务、5G无线应用、医疗设备、仪器仪表等在内的多种领域。电源解决方案的输出噪声低是维持系统出众性能的关键因素之一。因此,噪声敏感型RF应用的市场份额正在迅速扩大。传统上,降压式(buck)稳压器与低压差(LDO)稳压器组合而成的电源树解决方案在噪声敏感型应用中占据主导地位。然而,随着下一代产品中的负载消耗的电流越来越大,降压式稳压器与LDO稳压器组合的解决方案成为了系统瓶颈。受限于LDO稳压器有限的电流承载能力,此类解决方案暴露出尺寸大、成本高、损耗显著等弊端。

近年来,超低噪声开关稳压器得到了发展,具备出色的电磁干扰(EMI)性能及超低的低频(0.1 Hz100 kHz)噪声。1,2,3 先进的超低噪声开关稳压器的低频噪声可与市面上性能最佳的超低噪声LDO稳压器相媲美。进阶型超低噪声开关稳压器在噪声敏感型应用领域中堪称变革性的存在,兼顾超低噪声、高电流承载能力、高效率和小尺寸的优势。

Silent Switcher 3是创新的超低噪声开关稳压器系列,在上述四个关键性能维度均处于行业领先水平。1 此前,ADI 推出的Silent Switcher 12系列已成为开关稳压器领域的标杆之作,以高效率、低电磁干扰噪声和小尺寸解决方案著称,能够支持最高65 V的输入电压和30 A的输出电流。而Silent Switcher 3则在Silent Switcher12的成功技术基础上进一步革新,相较于LDO稳压器,能更高效地输出大电流,仅靠单个集成电路(采用4 mm×4 mm的紧凑型封装),就能实现高达16 A的电流输出。相较于Silent Switcher 2系列,Silent Switcher 3系列凭借创新的电路与结构设计,成功实现了超低的低频输出噪声。1 如表1所示,Silent Switcher 3稳压器在低频范围内的输出噪声低于未采用超低噪声设计的LDO稳压器。因此,在噪声敏感型RF应用中,基于单个超低噪声开关稳压器的单级电源解决方案在取代传统的降压式稳压器加LDO稳压器解决方案方面极具竞争力。本文将依托多个案例研究,介绍在噪声敏感型应用中采用超低噪声开关稳压器Silent Switcher 3所带来的系统性能及显著优势。同时,文中还将详细阐述如何充分利用Silent Switcher 3稳压器在器件层面的优异性能,实现预期的系统层面性能目标。

使用超低噪声开关稳压器为锁相环(PLL)供电

RF系统中的许多组件和系统对噪声都很敏感,例如PLL、高速ADC/DAC、混合信号前端MxFE®等。特别是高性能PLL,它是RF系统中最重要的组件之一,能为ADCDACFPGA和其他数字和混合信号IC提供所需的高质量时钟信号。本节将探讨如何利用基于Silent Switcher 3技术的单级解决方案,为高性能PLL供电并实现出色的PLL性能。本次研究选用了ADF4372,这是一款广受欢迎的额定频率为5 GHz的高性能PLL频率合成器。4 1显示了详细的电源结构和用于实验研究的演示板。

1.不同电源的输出噪声比较

电源

积分噪声

10 Hz100 kHz

超低噪声LDO稳压器(LT3045)

0.8 µV   rms

锂离子电池

2.7 µV   rms

Silent Switcher 3稳压器

LT8625S,高带宽)

2.7 µV   rms

Silent Switcher 3稳压器

LT8625S,低带宽)

4 µV   rms

未采用超低噪声设计的

LDO稳压器

20 µV rms100 µV rms

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1.(a) ADF4372的具体电源结构;(b) ADF4372的演示板。

RF应用中,高性能PLL的性能主要依据一项关键指标予以评估,即相位噪声。相位噪声的计算方式为,将1 Hz带宽范围内的噪声功率相对于主RF信号功率做归一化处理,其详细定义如公式1所示。

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因此,相位噪声始终为负数,其值越低越理想。相位噪声的单位是dBc/Hz,其中c表示该值是根据载波功率进行归一化处理所得。如图1所示,ADF4372需要两条电源轨,分别为3.3 V5 V。其中,5 V电源轨的敏感度最高,因为它为PLL内部的压控振荡器(VCO)供电。4 在本案例研究中,3.3 V电源始终由超低噪声LDO稳压器(LT3045)供应,而5 V电源则由Silent Switcher 3稳压器驱动,旨在研究Silent Switcher 3稳压器对RF输出信号相位噪声的影响。

2给出了在采用基于Silent Switcher 3稳压器(LT8625S)的单级解决方案为PLL 5V 电源轨供电时,其相位噪声性能的基准评估结果。2 基准评估使用的是LT8625S演示板,仅对演示板进行了最小限度的改动以实现5V供电。如图2所示,在这种情况下,ADF4372仍能实现出色的相位噪声表现。从10Hz100kHz,所测得的相位噪声与采用LDO稳压器为5V电源轨供电时的情况近乎一致。然而,在约250kHz处出现了一个尖峰,导致在100kHz500kHz范围内的相位噪声略有升高。约250kHz处的相位噪声尖峰是由Silent Switcher 3稳压器的输出噪声引起的,该稳压器在此频率范围内的输出噪声也有一个平台区。由于VCO的输出对其电源噪声高度敏感,Silent Switcher 3稳压器的输出噪声会传导至输出RF信号的相位噪声上。

Silent Switcher 3稳压器的输出噪声尖峰是由低控制环路增益(约0 dB)造成的,由于增益太弱,无法抑制此频率范围内的输出噪声。关于这一机制的详细解释,可参阅Silent Switcher 3系列的数据手册2 可以通过调整补偿来增加Silent Switcher 3稳压器的控制带宽,从而降低噪声尖峰。因此,通过优化Silent Switcher 3稳压器的控制环路以获得更高的控制带宽,相位噪声可以得到进一步降低,如图3所示。图2中的基线相位噪声评估结果,是在Silent Switcher 3稳压器处于慢补偿和低控制带宽的条件下得出的。通过优化控制环路并实现高带宽,约250 kHz处的相位噪声尖峰几乎被消除,降低幅度超过10 dBc/Hz。尽管如此,在100 kHz500 kHz的频率范围内,基于Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案所产生的相位噪声仍略高于采用超低噪声低LDO的两级解决方案。

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2.超低噪声LDO稳压器(LT3045)Silent Switcher 3稳压器(LT8625S)5 V相位噪声基线比较。

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3.Silent Switcher 3稳压器控制带宽对高性能PLL相位噪声的影响。

为了进一步提升Silent Switcher 3稳压器供电时的相位噪声性能,可以设计并添加一个次级(第二个)LC滤波器至Silent Switcher 3稳压器的输出端。详细的电路图如图 4 所示,其中展示了一个基于Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案,使用了第二级LC滤波器为 5 V电源轨供电。配置了第二级LC滤波器后,输出电压的检测既可以在本地输出端进行,也可在第二级 LC 滤波器后的远端输出端完成。本案例中选择在本地输出端检测输出电压,以便简化控制环路的设计。由于高性能PLL的电流消耗较低(通常低于1A),第二级LC滤波器两端的电压降很小,因此仅检测本地输出电压是合理的。因此,选择使用本地输出电容来保证Silent Switcher 3稳压器的稳定运行。然后,根据一般的设计指南建议,远端输出电容应高于本地输出电容,以使系统稳定性对负载电容的敏感度降低。5

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4.带有第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器的电路图,用于为PLL提供5 V的电压。

在确定了本地输出电容和远端输出电容之后,第二级电感L2可以根据截止频率,也就是第二级LC滤波器的谐振频率来进行选择。如图3所示,设计目标是在250 kHz处实现大于10 dBc/Hz的衰减量,因而要求第二级LC滤波器在250 kHz处至少产生20 dB的衰减量。为了提供更高的裕度,采用在250 kHz时实现30 dB衰减量的设计,因此第二级LC滤波器(衰减斜率为-40 dB/dec)的截止频率应为44.6 kHz。由此计算得出,第二级 LC 滤波器的电感值为260 nH。考虑到电感的公差(通常为 ±20%),最终选定的电感值为330 nH。最后但同样重要的是,在第二级LC滤波器的设计中应实现足够的阻尼,通常的经验法则是将品质因数Q控制在1.5以下。因此,添加120 mΩ的阻尼电阻并将其与远端输出电容串联,从而使有效品质因数Q达到0.7

如图4所示,配备了所设计的第二级LC滤波器后,基于Silent Switcher 3稳压器的解决方案所实现的相位噪声性能,几乎与采用超低噪声LDO稳压器的两级解决方案相当。如图5所示,所设计的第二级LC滤波器进一步提升了由Silent Switcher 3稳压器供电时的相位噪声性能,使得在10 Hz10 MHz的频率范围内,与超低噪声LDO稳压器的效果几乎相同。尽管由Silent Switcher 3稳压器供电产生的相位噪声结果在2 MHz处因开关频率的缘故仍然存在一个微小的杂散信号,但这个杂散信号的频率是可预测的,且与载波频率相距较远,因此并不难处理。

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5.超低噪声LDO稳压器(LT3045)与带第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器(LT8625S)在输出5 V电压时的ADF4372相位噪声比较

此外,无论是否配备设计的第二级LC滤波器,Silent Switcher 3解决方案所产生的相位噪声,都远低于Silent Switcher 2稳压器(LTM8024)和其他供应商的常规开关稳压器。如图6a所示,作为一款超低噪声降压型开关稳压器,与Silent Switcher 2稳压器和常规开关稳压器相比,Silent Switcher 3稳压器在1 kHz500 kHz的频率范围内,能够实现低得多的相位噪声。在低于1 kHz的频率下,不同电源供电时所测得的相位噪声并无差异。这是因为在如此低的频率下,高性能PLL的相位噪声主要由PLL的参考时钟决定,而非电源。此外,如图6b所示,Silent Switcher 3稳压器在没有针对超低噪声进行特殊设计的情况下,也能实现比LDO稳压器更低的相位噪声。在5 kHz100 kHz范围内,两者的相位噪声差值大于10 dBc/Hz,其中Silent Switcher 3稳压器在输出噪声方面优于未采用超低噪声设计的LDO稳压器(见表1)。综上所述,通过合理的控制环路和滤波器设计,基于Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案能够实现与采用超低噪声LDO稳压器的两级解决方案近乎相同的PLL性能。基于Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案,相较于采用未进行超低噪声设计的LDO稳压器的两级解决方案,能为PLL提供更好的相位噪声性能。

使用超低噪声开关稳压器为ADC系统供电

本节重点介绍采用基于Silent Switcher 3稳压器的单级电源解决方案为ADC系统所带来的优势。ADC系统广泛应用于众多RF应用,例如5G/无线通信、防务等。一个典型的ADC系统通常由PLL时钟、ADC和数字处理器组成。本案例研究选用了一款进阶型高速ADC,即带宽为9 GHzAD92086 仍然采用ADF4372演示板为系统提供时钟信号。生成频率1.23 GHz、幅度-10 dBFS的模拟信号,作为ADC的输入信号。数字端则借助高速FPGA板(ADS7-V2EBZ板)和ACE软件来实现数字信号检测和ADC性能评估。ADC系统的详细信息如图7所示。

在此ADC案例研究的第一部分,我们研究了ADC系统的性能,以及将Silent Switcher 3稳压器用作PLL时钟电源所带来的优势。同样,ADF43723.3 V电源轨始终由超低噪声LDO稳压器(LT3045)供电,而5 V电源轨则由Silent Switcher 3解决方案或其他电源解决方案供电。此外,AD9208始终由安装在标准演示板上的默认电源解决方案供电。在相同的模拟输入信号条件下,图8展示了在不同PLL时钟电源供电时,ADC输出信号在1.23GHz附近的平均快速傅立叶变换(FFT)结果,其频率跨度为2MHz与其他开关稳压器相比,Silent Switcher 3稳压器能够让ADC实现最佳的性能,并在1.23 GHz附近具有最低的噪声,尽管其FFT波形在频率偏移约250 kHz处仍有一个平台区。

ADC系统性能对采样时钟信号的质量(即相位噪声)十分敏感。在约250 kHz处的平台区,与ADF4372输出信号相位噪声图(图3中的绿色曲线)中相同频率处的小尖峰高度吻合。正如PLL案例研究中所揭示的那样,相位噪声图中的这种小杂散信号可以通过添加滤波器来消除。因此,将Silent Switcher 3稳压器用作时钟电源时,通过添加第二级LC滤波器能够提升ADC的性能,而这一点也得到了实验结果的证实。图9呈现了在采用图4中设计的第二级LC滤波器的Silent Switcher 3解决方案下,ADC输出信号的FFT结果。ADC输出的最终FFT波形在主信号1.23 GHz附近呈现出极低的噪声,这几乎与超低噪声LDO稳压器的结果相同。不出所料,图9还表明,在频率偏移小于100 kHz的情况下,配备了第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器的FFT结果优于未采用超低噪声设计的LDO 稳压器的FFT结果,这是因为其低频噪声更低,进而使得PLL时钟信号的相位噪声也更低。

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6.不同电源下PLL时钟(ADF4372)的相位噪声:(a) ADF4372的相位噪声(5 GHz输出);(b) ADF4372的相位噪声(5 GHz输出)。

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7.案例研究中进阶型ADC系统的详细结构。

为了更全面地评估ADC系统的性能,除了分析ADC输出的FFT结果之外,还对两个重要的ADC参数进行了评估,即信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)6 SNR的定义简明易懂;而SFDR指的是输入信号的均方根幅值与任何杂散噪声信号的最高均方根幅值之比。不同于仅考虑输入信号频率附近的窄频率跨度,SNRSFDR的计算涵盖了宽频率范围内的噪声。如表2所示,未使用任何LDO稳压器进行后级稳压的Silent Switcher 3解决方案所实现的AD9208SNRSFDR,与采用超低噪声LDO稳压器的传统两级解决方案达成的结果相同。第二级LC滤波器对所测得的SNRSFDR几乎没有影响。此外,Silent Switcher 3解决方案实现的SNRSFDR远远高于其他开关稳压器解决方案:产生的SNR(10倍频)是常规开关稳压器的约20倍,SFDR(10倍频)则为45倍。至于与未采用超低噪声设计的LDO稳压器相比,Silent Switcher 3解决方案实现的SNR略胜一筹,而SFDR则旗鼓相当,这是因为其优势仅体现在输入频率附近的噪声控制上,而这部分噪声在SNR计算所涉及的总噪声中占比很小。

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8.不同电源下ADC采样时钟(超低噪声LDO稳压器、Silent Switcher 3稳压器、Silent Switcher 2稳压器和常规开关稳压器)的ADC输出信号的平均FFT结果。

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9.不同电源下ADC采样时钟(带第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器,无超低噪声设计的LDO稳压器)的ADC输出信号的平均FFT结果。

2.不同ADC采样时钟电源下AD9208SNRSFDR对比

ADC电源

采样时钟

ADCSNR

(十进制)

ADCSNR

(dBFS)

ADCSFDR

(十进制)

ADCSFDR

(dB)

超低噪声LDO稳压器

(LT3045)

794.3

58 dBFS

922.6

59.3 dB

带第二级LC滤波器的Silent   Switcher 3稳压器(LT8625S)

794.3

58 dBFS

922.6

59.3 dB

无第二级LC滤波器的Silent   Switcher 3调节器(LT8625S)

758.6

57.6

dBFS

922.6

59.3 dB

无超低噪声设计的

LDO

767.4

57.7   dBFS

922.6

59.3 dB

Silent Switcher 2

稳压器

126

42.0   dBFS

56.2

35.0 dB

常规开关

稳压器

43.2

32.7   dBFS

20.9

26.4 dB

本案例研究的另一方面是探究采用Silent Switcher 3稳压器为ADC供电时,ADC系统的性能表现及由此带来的优势。在这一部分中,PLL时钟始终由默认的两级解决方案供电,采用超低噪声LDO稳压器(LT3045),以便专注于研究ADC电源所产生的影响。具体而言,为了简化研究流程,选取AD9208的一个模拟电源轨AVDD1作为示例。AVDD1电源轨负责为时钟域供电,其电压为0.975 V,标称电流消耗为640 mA,占总功耗的19%6 由于它对电源噪声较为敏感,基于理论和实践分析,故而被选定为研究对象。其他所有电源轨则依然由标准演示板上安装的默认电源解决方案供电。

实验结果证明,单级Silent Switcher 3解决方案能够取代传统的两级解决方案为ADC供电,并且不会削弱ADC的性能。为了评估采用Silent Switcher 3解决方案(LT8625S)作为AVDD1电源时ADC的性能表现,我们对ADC输出的平均FFT结果进行了深入分析。需要注意的是,本次未安装第二级LC滤波器。如图10所示,由Silent Switcher 3稳压器为AVDD1供电时,ADC输出的FFT结果近乎理想,与采用两级解决方案(降压式稳压器加超低噪声LDO稳压器)为AVDD1供电时的FFT结果一样令人满意。即使未安装第二级LC滤波器,在频率偏移约250 kHz处也未出现尖峰。

此外,ADC的性能对ADC电源的低频噪声不太敏感,反而对ADC电源的开关纹波更为敏感。基于Silent Switcher 2稳压器的单级解决方案,其开关频率为2 MHz,尽管Silent Switcher 2稳压器的低频噪声性能并非最优,但在基频(1.23 GHz)附近仍能使ADC输出近乎理想的波形。正如本案例研究第一部分所证实的,这是因为在基频附近,ADC的输出噪声主要受采样时钟的相位噪声影响。换言之,高速ADC在基频附近的输出噪声对电源噪声并不十分敏感。不过,如图10所示,若使用低频噪声过高的常规开关稳压器为AVDD1供电,会使ADC在基频附近的输出噪声变得更糟。图10还显示,ADC电源的开关纹波会传导至ADC输出,导致ADC输出的FFT结果出现相当明显的杂散信号。例如,使用开关频率为750 kHz的常规开关稳压器为AVDD1供电时,在频率偏移750 kHz处会产生大于30 dB的杂散信号。先前研究开关纹波噪声对高速数据转换器(ADCDAC)性能影响的文献很好地证实了这一点。7,8 因此,通过合理的滤波器设计,基于Silent Switcher 3技术的单级解决方案完全能够满足ADC的电源需求,并确保其达到令人满意的性能表现。

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10.提供AVDD1的不同电源(超低噪声LDO稳压器、Silent Switcher 3稳压器、Silent Switcher 2稳压器和常规开关稳压器)下,ADC输出信号的平均FFT结果。

综上所述,基于Silent Switcher 3技术的单级电源解决方案能够取代采用超低噪声LDO稳压器的传统两级解决方案,为进阶型ADC系统中的PLL时钟和高速ADC供电。基于Silent Switcher 3技术的单级方案依然能够使ADC系统达到令人满意的性能,与传统的降压式稳压器加LDO稳压器的解决方案相比,ADC的关键参数(如SNRSFDR、噪声性能等)均未受到影响。此外,相较于自身的电源噪声,ADC的性能对采样时钟源的电源噪声更为敏感。因此,为了让Silent Switcher 3技术为进阶型ADC系统供电并具备令人满意的系统性能,尤其是PLL时钟的性能,需要设计合理的控制环路和输出滤波器。

基于超低噪声开关稳压器的ADC系统电源架构

前面的章节已经证明,Silent Switcher 3技术非常适合为进阶型ADC系统中的高性能PLL和高速ADC供电。Silent Switcher 3技术不仅能够满足进阶型ADC系统的电源需求,还能确保系统性能不受任何影响。基于此,可以为ADC系统设计一个简化的全新电源树,无需使用任何LDO稳压器,纯粹基于Silent Switcher 3集成电路。也就是说,传统的两级解决方案(降压型稳压器加LDO稳压器)完全被基于超低噪声开关稳压器Silent Switcher 3的单级解决方案所取代。基于上一节中的ADC系统案例研究,图11ADC系统(ADF4372 + AD9208)的原始电源树和基于Silent Switcher 3技术的新型简化电源树进行了对比。原始电源树结构是基于AD9208ADF4372标准演示板上所使用的电源解决方案设计的;而新型电源树则是基于适用于低电流应用的最新Silent Switcher 3系列器件(LT8622SLT8624S)设计的。

新型电源树无需使用任何LDO稳压器,能够为整个系统带来显著且广泛的益处。如图11所示,基于Silent Switcher 3技术的电源树是一种简化的结构,仅包含五个Silent Switcher 3集成电路,而原始电源树则需要两个开关稳压器和六个LDO稳压器。因此,新型电源树能够大幅节省PCB面积,并且显著降低成本。此外,新型电源树结构能够大幅提高效率,从61.7%提高到84.8%。总功率损耗降低了71%,从3.919 W降低到了1.136 W。传统电源树结构的LDO稳压级本身就有2.305W的功率损耗。总功率损耗能有如此显著的降低,不仅是因为去除了LDO稳压器,还得益于Silent Switcher 3集成电路即使在2 MHz开关频率下也具有较高的效率。未来,针对小于1 A应用场景专门开发的超低噪声开关稳压器,有望进一步提升基于Silent Switcher 3技术的电源树的效率。

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11.ADC系统的原始电源树与新型电源树(AD9208 + ADF4372)对比:(a) 原始电源树(降压式稳压器与LDO稳压器组合而成的两级解决方案);(b) 新型电源树(基于Silent Switcher 3技术的单级解决方案)。

结论

超低噪声开关稳压器不仅能够在较宽的频率范围内实现超低的输出噪声,还兼具较高的效率和输出电流能力。凭借突破性的噪声性能,ADISilent Switcher 3技术在低频噪声控制上甚至超越了大多数LDO稳压器。因此,基于Silent Switcher 3技术的单级电源解决方案对于噪声敏感型RF应用而言极具吸引力,具有广阔的前景。本文全面展示了Silent Switcher 3系列在噪声敏感型RF应用中的优势。两个案例研究成功证明,基于Silent Switcher 3技术的单级电源解决方案能够取代采用超低噪声LDO稳压器的传统两级解决方案,并且依然能够确保系统性能不受影响。

在为高性能PLL时钟供电时,Silent Switcher 3技术所实现的相位噪声几乎与采用超低噪声LDO稳压器的两级解决方案相当。就PLL的性能而言,Silent Switcher 3技术甚至优于未采用超低噪声设计的基于典型LDO稳压器的两级解决方案。另一个ADC系统案例研究表明,通过合理设计滤波器,Silent Switcher 3技术能够使ADC 达到优异性能表现,关键参数与降压式稳压器加超低噪声LDO稳压器的解决方案几乎无异。因此,可以为ADC系统开发一种基于Silent Switcher 3技术的简化电源树结构,无需使用任何LDO稳压器。与原有的降压式稳压器加超低噪声LDO稳压器的解决方案相比,不使用任何LDO稳压器的Silent Switcher 3解决方案不仅减少了元件数量、缩小了解决方案尺寸,更实现了71%的功耗降幅。

参考文献

1 “Silent Switcher技术ADI公司,2023年。

2 “LT8625S具有超低噪声基准电压源的18V/8A降压型Silent Switcher 3ADI公司,2023年。

3 Yu LuHugh Yu低噪声Silent Switcher μModuleLDO稳压器改善超声噪声和图像质量《模拟对话》,第56卷,20224月。

4 “ADF4372集成VCO的微波宽带频率合成器ADI公司,2021年。

5 Ray Ridley二级LC滤波器设计Switching Power Magazine20007月。

6 “AD920814位、3 GSPSJESD204B、双通道模数转换器ADI公司,2017年。

7 John Martin Dela CruzPatrick Pasaquian优化信号链的电源系统2部分:高速数据转换器《模拟对话》,第55卷,20214月。

8 Aldrick LimjocoPatrick PasaquianJefferson EcoSilent Switcher µModule稳压器为GSPS采样ADC提供低噪声供电,并节省一半空间ADI公司,2018年。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司,致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁,以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案,推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展,应对气候变化挑战,并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元,全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息,请访问www.analog.com/cn

作者简介

Xingxuan HuangADI公司(美国加州)的高级应用工程师,主要负责电源产品。他于2019年和2021年分别获得田纳西大学诺克斯维尔分校电气工程硕士学位和博士学位,研究方向是电力电子。

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全球工业计算机解决方案领导品牌安勤科技宣布推出新一代COM-HPC模块ESM-HRPL,并同步搭配专属设计的高阶载板EEV-HC10,锁定AI推论智慧医疗工业自动化智能电网等应用领域,提供兼具高效能、模块化弹性与长期供货保证的次世代边缘运算解决方案。

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重塑边缘运算架构COM-HPC模块效能大跃进

ESM-HRPL模块依循PICMG® COM-HPC® Client Type标准,采用Intel®第12/13/14代Core™处理器(LGA 1700,最高65W TDP),搭配Intel® R680E芯片组与四组DDR5 SO-DIMM插槽,最高支持128GB 内存、3600MT/s带宽,特定CPU型号并支持ECC,满足工业级可靠性需求。模块整合高密度I/O,包括PCIe Gen5、2.5G以太网络、USB 3.2 Gen2x2、eDP与三组DDI显示输出,适用于高速数据交换与多重设备整合;借由模块化设计,客户可省去不同平台的主板开发时间,加速产品上市,搭配客户自行开发的客制载板可保护不同应用的独特Know-how,提升系统机密性与差异化竞争力。

EEV-HC10载板强化扩充弹性,满足多元AIoT应用

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EEV-HC10

ESM-HRPL搭配EEV-HC10 EATX载板(305x330mm),兼容COM-HPC Revision 1.2标准,内建多达四组IET模块插槽,支持影像输出、USB 通讯、2.5G网络等模块化扩充选项。配备PCIe Gen5 x16与多组PCIe x4/x1插槽,可灵活整合AI加速卡、GPU或其他高速装置。载板同时支持HDMI/DP/eDP 显示接口、USB Type-C高速传输与GPIO、RS-232 等工业 I/O,充分满足AIoT系统的弹性部署需求。

聚焦高阶应用领域 突显竞争差异化优势

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ESM-HRPL

ESM-HRPL模块针对高密度运算与实时反应的应用需求而生,适用于医疗图像处理边缘AI推论智能电网系统等场景。

在医疗领域,其高速数据传输与多信道影像输出能力,有效支持MRI与CT等高阶诊断设备;在边缘AI应用中,借由高效CPU与丰富PCIe扩展资源,能无缝整合GPU与AI加速器,加快模型推论与决策速度;于智能电网部署,稳定的通讯接口与边缘处理能力则能实时响应系统状态,强化运营效率与安全性。

此外,安勤采用铜质热导板与可替换式半模块散热设计,能依处理器TDP灵活调整冷却方案,实现高效散热解决方案与跨平台兼容性。结构弹性、硬件安全性与安勤提供的专业ODM载板开发支持,进一步强化ESM-HRPL在高阶嵌入式运算市场的差异化竞争力。

稳定供应承诺与专业技术支持:强化企业部署信心

安勤COM-HPC模块系列采用Intel长期支持平台,能适应工控、医疗与关键基础设施等长期部署需求。ESM-HRPL支持Windows 11 LTSC与多款主流Linux 操作系统,并提供完整的技术文件、用户手册与应用开发指引。通过在地工程支持与专业客户服务,安勤协助企业快速整合系统架构,加速产品上市进程,打造稳定、安全且具延展性的智慧运算基础。

更多信息请至安勤官网,或通过在线窗体与我们联系。

来源:Avalue安勤科技

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近日,浪潮信息团队在地球物理学领域的国际顶级学术期刊《Geophysical Research Letters》发表突破性研究成果,首次提出基于掩码自编码器(MAE)框架的闪电自监督学习神经网络模型,成功破解了当前闪电分类模型长期依赖海量人工标注数据的核心瓶颈,提高模型训练效率,为闪电波形识别和分类提供了新的技术路径。

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*《地球物理研究通讯》(英文:Geophysical Research Letters),简称GRL,是美国地球物理学会(AGU)旗下的国际顶级地球物理学跨学科期刊。该刊以发表高影响力、创新性强和时效性突出的研究成果著称,要求文章能在地球科学主要领域乃至整个学科范围内产生直接而广泛的影响,在同行评价中受到广泛认可。

夏季强对流天气频发,往往伴随强烈闪电活动。现代闪电定位系统部署成熟,闪电实时监测能力高,世界气象组织(WMO)也已将闪电列为强对流监测的必选参数。但是,如何基于闪电波形特征进行高效、精确的闪电放电事件的识别和分类,是雷电物理研究与防护领域的重要挑战之一。

一次雷雨天气通常会产生数万至数十万个放电事件,往往需要研究团队花费数十个小时才能完成筛选并形成标注数据集。此前,已经有基于AI技术的纯监督模型用于闪电分类领域,但这些模型完全依赖人工标注的数据,且在跨数据集应用时的表现能力比较差。因此,浪潮信息提出自监督预训练模型解决以上问题——首先从大量未标记数据中自动学习鲁棒特征,之后仅需几千条标注数据微调,即可在中科院大气物理研究所的北京闪电定位网(BLNET)数据集上实现98.30%的分类准确率。在迁移至另外两个公开的闪电数据集时,相比原作方法,本模型仅需极少量标注数据即展现出与之相当的分类水平(分别为97.94%和98.29%),展现出优秀的稳定性和泛化能力。

闪电分类存在标注依赖与泛化局限问题

传统闪电分类方式依赖关键波形参数(如上升沿、脉冲宽度)的经验阈值判断,受探测设备和研究者主观经验影响,准确率不稳定。随着AI技术发展,机器学习(ML)和深度学习(DL)技术被引入闪电分类领域。基于电磁监测获取的电场波形数据,经人工标注后训练出的分类模型,准确率可达95%至99%,展现了AI技术在闪电分类中的应用潜力。

然而,当前主流闪电分类模型普遍采用纯监督学习,意味着训练过程需要海量人工标注数据,通常需要几万甚至十几万条标注数据。这不仅需要耗费巨大的人力与时间成本,而且当面对规模庞大的闪电数据集时,标注工作会变得异常繁重,导致模型训练效率低下。

更关键的是,由于不同地区的闪电存在物理特性差异(如波形尺度与形态),且不同监测网络的规模、探测范围、设备配置(如传感器类型、采样频率)和部署环境(站点间距、地形差异)各不相同,使得同一监督模型在进行跨网络分类时会变得困难。结果就是,一个在特定标注数据集上训练出的“学霸”模型,一旦应用到新环境中,往往会出现显著的性能下滑,表现出糟糕的适应性和泛化能力。

对于那些闪电中的“稀客”——比如罕见或全新的闪电类型,也令人头疼。由于其样本量十分有限,这将会导致监督模型难以充分学习其特征规律,从而很难在庞大的数据集中识别出它们独特且细微的差别,自然也就难以准确识别这些特殊的闪电事件。

相比之下,自监督模型利用代理任务,在大型数据集以及标记数据有限或特征提取要求复杂的情况下仍能够提取丰富的数据信息,无需大量标注,具有显著优势。因此,浪潮信息提出的基于掩码自编码器(MAE)框架的自监督神经网络模型,能够大幅减轻手动标注工作量,提高训练效率,并在不同的闪电网数据分类任务中体现了高准确率和良好的泛化能力。

提出自监督预训练模型解决闪电分类难题

浪潮信息团队所提出的自监督模型,首先使用大量未标注闪电波形数据进行自监督预训练,通过重构掩码片段学习闪电信号特征;再用少量标注数据微调,以适应高准确率的分类任务。

MAE(Masked Autoencoder)框架此前已在医学图像、声音信号及自然信号(含电磁信号)的识别与分类任务中广泛应用,凭借其强大的全局特征提取能力、对无标注数据的自适应性以及显著降低人工标注成本的优势,为自然信号处理提供了高效解决方案。

本次提出的MAE框架通过Transformer全局建模能力精准捕获闪电波形的峰值与放电长程特征;经过大量实验尝试,优化片段划分策略,有效解决了传统方法和监督学习中存在的需要手动挑选特征量的人为干预问题;同时通过融合均方误差与交叉熵的混合损失函数,在保持模型收敛速度的同时优化预测精度,实现效率与性能的协同提升。

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基于掩码自编码器(MAE)框架的自监督人工神经网络闪电波形分类器

在预训练阶段,模型利用10万个未标注的闪电波形样本,通过随机掩蔽75%数据并重建原始信号的方式,自主学习闪电波形的通用特征表达。这一过程无需人工标注,大幅减少了数据准备成本。在微调阶段,仅需3000个标注样本(涵盖正地闪PCG、负地闪NCG、双极性窄脉冲NBE、预击穿脉冲PB和云闪IC,5种闪电类型)对模型进行优化,即在BLNET数据集上达到98.30%的高分类准确率。这种设计突破了传统监督学习方法对海量标注数据的强依赖,在保证性能的同时极大地提升了数据利用效率。

当迁移至两个独立公开数据集时,该模型仅使用20%的标注数据即达到97.94%和98.29%的准确率,展现出卓越的泛化能力与跨数据集适应性。与原始研究中采用80%以上标注数据的监督模型性能相当甚至更优(支持向量机SVM准确率96.66%、卷积神经网络CNN准确率98.56%)。这一结果表明,模型通过自监督预训练学习到的特征具有普适性,可有效应用于不同地理区域和采集系统的闪电数据。

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四种不同模型的T-SNE可视化结果。(a) 随机初始化数据模型(未经过预训练的模型);(b) 在(a)模型基础上使用训练数据集微调后的模型;(c) 基于无标签数据集进行自监督预训练的模型(仅经过预训练的模型);(d) 在(c)模型基础上使用训练数据集微调后的模型(经过预训练和微调的模型)。在图(d)中标注了闪电过程具体类型。

可视化分析进一步验证了该模型架构的有效性。T-SNE降维结果显示:随机初始化模型的样本特征高度重叠,无法有效识别出闪电类型;而自监督预训练后的特征空间已呈现明显的类别分离趋势;经监督微调后,同类样本紧密聚集,不同类别分离度显著提升,类间边界清晰。这说明预训练和微调均对模型性能产生实质性影响,但唯有结合自监督预训练与监督微调,方能实现最优分类效果。

此外,该框架还具有灵活性与可扩展性。新增闪电类别时,只需在微调期间纳入新的类别即可,无需重启整个预训练流程;模型亦可直接迁移至不同闪电监测网络,在保证波形质量和采样率一致的条件下,通过轻量微调或直接推理实现跨系统部署。更重要的是,自监督预训练利用海量未标注数据学习底层规律,相比依赖有限标注数据的监督模型,更擅长捕捉稀有毫秒级脉冲序列闪电事件的特征模式,为发现未知闪电现象提供新途径。

浪潮信息团队在GRL上发表的创新研究,成功破解了闪电分类依赖海量标注数据的难题,不仅降低了人工标注的时间和成本,也为雷电研究、灾害预警和探索未知的闪电提供了新思路。本研究由浪潮信息与中科院大气物理研究所等单位合作完成,得到国家自然科学基金42027803、42230609、42475098,中科院战略先导专项XDB0760100,大气环境与极端气象全国重点实验室自主课题青年项目2024QN09等资助。

* 论文信息:Lu, J., Li, J., Liu, Y., Yuan, S., Pu, Y., Bian, Q., et al. (2025). An efficient lightning classifier using a self‐supervised learning neural network. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL115067. 

https://doi.org/10.1029/2025GL115067

来源:元脑实验室

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