電源系統的數字化時(shí)代

目前音頻、視頻、影像、通信、網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域都逐步實(shí)現了數字化，這股浪潮也波及到以模擬技術(shù)為主導的電源系統領(lǐng)域，“數字電源”開(kāi) 始受到業(yè)界關(guān)注，一些老牌半導體廠(chǎng)商以及新興的IC供應商率先投入到這個(gè)新的競技場(chǎng)。TI、Microchip、Zilker Labs、iWatt、Silicon Labs等公司紛紛推出各自的數字電源產(chǎn)品。此外，一些市場(chǎng)調研機構也對數字電源的前景表示樂(lè )觀(guān)，據Darnell的數據顯示，2006年全球數字電源芯 片市場(chǎng)為1.69億美元，預計2010年將達到7.96億美元，年復合增長(cháng)率為36.4%。

對于數字電源這個(gè)“新生”事物，業(yè)界不僅有熱情的掌聲，同時(shí)也不乏質(zhì)疑的聲音：電源系統真的需要數字控制嗎?為什么要采用數字電源管理?模擬陣營(yíng)的擁戴者認為，與數字方案相比，模擬設計的成本更低，現代的模擬實(shí)現方法實(shí)際上表現更為出色。

事實(shí)上，數字與模擬這兩種技術(shù)并非針?shù)h相對，很多情況下二者甚至是互補的。在電源設計領(lǐng)域，模擬技術(shù)的優(yōu)勢依然存在，而數字技術(shù)的價(jià)值也會(huì )根據不同的 電源應用而有所差異，例如，簡(jiǎn)單的可通過(guò)業(yè)界標準協(xié)議(如PMBus)實(shí)現控制與配置;復雜的可借助引擎處理能力，采用結構化的動(dòng)態(tài)工作模式提高電源可靠 性及效率。

通過(guò)取長(cháng)補短、恰當結合這兩種核心技術(shù)，電源解決方案會(huì )更加優(yōu)化、豐富。TI公司亞太區電源產(chǎn)品技術(shù)總監嚴宗福就表示：“借助數字電源解 決方案，TI擴展了電源管理產(chǎn)品系列。我們認為模擬與數字電源管理解決方案將在今后多年內長(cháng)期共存。”美國國家半導體亞太區電源管理產(chǎn)品市場(chǎng) 總監黃漢基也指出：“未來(lái)幾年內模擬控制與數字控制這兩種不同的技術(shù)將會(huì )在市場(chǎng)上各據一方。”

數字電源vs.模擬電源

數字電源與模擬電源的區別主要集中在控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數變更要求不多的應用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品可能更具優(yōu)勢;而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反 應速度更快、需要多個(gè)模擬系統電源管理的復雜高性能系統應用中，數字電源則具有更大的優(yōu)勢。例如數據(服務(wù)器、存儲和UPS)、通信(3G基站、路由 器)、高端工業(yè)設備、測試測量設備、醫療設備等。

圖1：數字、模擬各有優(yōu)勢，或許混合信號電源方案是最佳選擇

在發(fā)展初期，數字電源方案難以達到模擬設計的高效率，而現在已有一些數字方案能夠達到甚至超越模擬方案的效率，并且易于使用。數字電源技術(shù)采用智能方 法優(yōu)化系統效率，數字控制提供了無(wú)需額外電路便可管理及監控系統內所有電源的能力。當電子系統日益復雜時(shí)，數字電源技術(shù)將會(huì )成為一種重要的工具，幫助系統 設計人員優(yōu)化系統性能。

“在電源領(lǐng)域，數字集成顯然是個(gè)趨勢，不過(guò)并非所有的電源技術(shù)都會(huì )向這種趨勢發(fā)展。”Microchip公司安全、微控制器 和技術(shù)開(kāi)發(fā)部產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Fanie Duvenhage表示，電源市場(chǎng)具有多樣性，解決方案也各有不同，數字電源也不例外。“未來(lái)的數字電源將包括某種形式的數字控制，同時(shí)也包 括模擬模塊。”Duvenhage指出。

對此，Maxim公司業(yè)務(wù)經(jīng)理Ahmad Ashrafzadeh也有同感，他認為，數字電源不可能在所有應用領(lǐng)域替代模擬電源，數字電源所能提供的特性并不是所有應用都必須具備的，而且對于一些 成本敏感的應用或特殊的消費類(lèi)產(chǎn)品，這些性能可能還是多余的。目前數字電源最適于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )交換機、路由器等要求可靠監控的產(chǎn)品及基礎架構設備。

Intersil公司應用工程總監Greg Miller也認為數字電源管理是通信/工業(yè)領(lǐng)域最重要的電源技術(shù)趨勢。不過(guò)，他不同意一些人提出的數字控制理論。“在數字IC與電源管理 IC的接口部分采用數字電路能提升效率，但是在電源管理IC內部我們不贊成采用數字控制，我們認為模擬控制能實(shí)現更小的芯片尺寸和功耗。” Miller表示。Zilker Labs公司行銷(xiāo)副總裁Jim MacDonald也指出，模擬電源器件仍將是電源管理市場(chǎng)的重要部分。

目前在整個(gè)市場(chǎng)中數字電源技術(shù)所占的比例還很小，不過(guò)，隨著(zhù)越來(lái)越多的系統開(kāi)發(fā)商采用這種技術(shù)，數字技術(shù)似乎正在成為電源系統設計的新趨勢。 Intersil的Miller認為，模擬與數字電源解決方案會(huì )跨越不同領(lǐng)域共存，但數字電源方案會(huì )逐步普及并拿走模擬方案的市場(chǎng)份額，數字電源最終會(huì )成 為電源市場(chǎng)的重要區域。

模擬技術(shù)+DSP/MCU成為主要趨勢，應用方案向消費領(lǐng)域滲透

更高集成度、更快瞬時(shí)響應以及更大靈活性是數字電源的主要優(yōu)勢。通常情況下，模擬PWM架構能夠提供較高分辨率，但無(wú)法實(shí)現數字控制架構所具備的輸出 電壓監視、通信及其它復雜控制功能;而對于數字PWM，為了達到與模擬控制架構同等的性能指標必須具備高分辨率、高速和線(xiàn)性ADC，以及高分辨率、高速 PWM電路，因而與模擬控制架構相比，數字控制架構的成本將大幅增加。綜合考慮兩者優(yōu)勢，Maxim公司的Ashrafzadeh認為，最佳方案是將模擬 PWM與數字電路相結合，在不犧牲模擬控制所具備的精度和無(wú)限分辨率的情況下，提供數字控制所具有的全部性能。

在數字控制器方面，目前的方案分為固定功能硬件和DSP兩大類(lèi)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。固定功能的硬件解決方案體積小、速度快、成本低，但是缺乏靈活性; DSP方案靈活性高，但是體積大、成本高、速度慢，需要很長(cháng)的軟件學(xué)習過(guò)程。相對而言，DSP控制的電源采用數字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿(mǎn)足復 雜的電源需求、實(shí)時(shí)反應速度更快、電源穩壓性能更好。當前，TI、飛思卡爾、Silicon Labs的數字電源控制器均采用模擬技術(shù)與DSP相結合的策略。

實(shí)際上，在UPS、逆變電源和馬達控制等領(lǐng)域，很早就有采用通用DSP進(jìn)行控制。目前的數字電源芯片很多都是采用DSP或MCU針對電源應用進(jìn)行一系 列功能和接口的優(yōu)化。例如，TI的數字電源解決方案Fusion Digital Power中用于A(yíng)C/DC電源的UCD9501，就是源于其DSP產(chǎn)品TMS320。除了提供DSP控制的數字電源IC，TI還有MCU控制的數字電源 IC。

而Zilker Labs則汲取了模擬電源解決方案的高性能、高效率和速度快以及數字電源解決方案的高靈活性、可擴展和高度可控制的優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)出創(chuàng )新的混合信號電源技術(shù)。 該公司推出的第一款品牌產(chǎn)品ZL2005，就使數字電源解決方案達到了模擬電源解決方案的高效率。