數字電源開(kāi)啟電源管理新領(lǐng)地

　　編者按：數字電源是近期電源管理領(lǐng)域廣為關(guān)注并頗具爭議的話(huà)題。IC領(lǐng)域的知名廠(chǎng)商就數字電源的熱點(diǎn)話(huà)題展開(kāi)探討，包括數字電源的定義、特點(diǎn)、優(yōu)勢劣勢、未來(lái)前景及廠(chǎng)商方案等幾個(gè)方面，TI、Silicon Labs與Linear的觀(guān)點(diǎn)代表了兩種不同的聲音。
 


 
 
 
        



　　數字電源：DSP與模擬技術(shù)的新結合點(diǎn)
　　TI公司中國區模擬產(chǎn)品銷(xiāo)售總監王劍:
　　電源系統設計人員面臨的壓力日益增大，必須應對管理更復雜的電源要求，如針對更廣泛的負載、更低的輸出電壓以及多種電源同步進(jìn)行管理，實(shí)現更高的效率。數字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監控、處理并適應系統條件的能力，能夠滿(mǎn)足任何復雜的電源要求。此外，數字電源還可通過(guò)遠程診斷確保持續的系統可靠性，包括故障管理、過(guò)電流保護以及避免停機等。
　　數字電源有什么好處？它首先是可編程的，比如通訊、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實(shí)現。另外，數字電源具有高性能和高可靠性，非常靈活，成本也比較低。AC-DC等一些大功率電源有兩個(gè)發(fā)展趨勢，一個(gè)是往模塊電源發(fā)展，一個(gè)是實(shí)現智能電源控制。
　　TI認識到在電源中模擬與數字組件優(yōu)化組合的必要性，推出數字電源的系列新產(chǎn)品Fusion Digital Power解決方案，包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列輔助器件。
　　數字電源與模擬電源的區別主要集中在控制與通信部分。UCD9K無(wú)論是控制還是通信接口都是采用數字方式，可以說(shuō)是帶有閃存的DSP，采用的是0.18微米工藝；UCD7K與UCD8K的核心部分都采用模擬電源的方式，外圍接口則采用數字方式，工藝為傳統的模數混合工藝，即高壓BiCMOS工藝。三種器件的應用領(lǐng)域包括從AC線(xiàn)路到負載點(diǎn)應用的電源系統，如電信設施、不間斷電源、計算機服務(wù)器以及數據中心電源系統。
　　數字電源會(huì )對模擬電源有多大的沖擊？在簡(jiǎn)單易用、參數變更要求不多的的應用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現，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、復雜的高性能系統應用中，數字電源則具有優(yōu)勢。
　　數字電源是TI不斷壯大的高性能產(chǎn)品線(xiàn)中具有戰略意義的一部分。除了提供DSP控制的數字電源IC，TI還具有MCU控制的數字電源IC。相對來(lái)講，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。目前市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始有應用，未來(lái)數字電源將會(huì )有更快發(fā)展。
　　產(chǎn)品鏈接
　　Fusion Digital Power系列的3種產(chǎn)品既能相互匹配使用，又可以根據應用復雜程度、響應速度的不同單獨使用。其中，UCD9K作為數字電源控制器，核心采用28x系列DSP，可關(guān)閉多個(gè)環(huán)路，同時(shí)控制3路或4路PMW，具有150ps數字PWM分辨率。它還提供數字通信與監控功能，有助于實(shí)現復雜的電源轉換，包括多相位控制、非線(xiàn)性控制、負載均流以及故障預測等(這些功能在完全模擬的應用中都難以實(shí)現)。UCD8K是數字電源PWM控制器，采用集成式、數字化控制的模擬PWM與驅動(dòng)器；UCD7K是數字電源驅動(dòng)器，將數字控制器與功率級相連。3種產(chǎn)品的電壓輸出都是可調的。軟件與外設的可擴展性及重復使用性使器件可以通過(guò)改變操作參數來(lái)優(yōu)化特定的電源系統。此外，還有各種開(kāi)發(fā)支持工具，如TI的DSP Code Composer Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和全面的數字電源管理應用參照設計，也支持集成數字電源產(chǎn)品。
　　數字電源難以擺脫模擬電路
　　Linear電源產(chǎn)品部總經(jīng)理Steve Pietkiewicz:
　　當前，數字電源已成為業(yè)界討論熱點(diǎn)，一些新成立的公司和已經(jīng)取得牢固地位的 

半導體廠(chǎng)商都聲稱(chēng)數字電源比模擬為主的產(chǎn)品更勝一籌。他們稱(chēng)，新的數字電源具有更高的性能和更低的成本，將取代老式的、早已過(guò)時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)穩壓器；人們將采用通用的數字CMOS工藝技術(shù)，而不再需要專(zhuān)有的模擬工藝技術(shù)，同時(shí)還將極大地降低成本。電源管理方式即將發(fā)生變化：要么數字化；要么請走開(kāi)，別再擋路。
　　“數字電源”或“數字控制電源”有幾種不同的含意。
　　最簡(jiǎn)單的定義是通過(guò)數字接口控制開(kāi)關(guān)穩壓器，這可能包括通過(guò)I2C或類(lèi)似的數字總線(xiàn)控制輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率或多通道電源的排序，啟動(dòng)、裕度控制、加電和斷電排序等等都可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)數字信號控制。實(shí)際上，目前市場(chǎng)上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作：通過(guò)數字接口控制模擬開(kāi)關(guān)穩壓器。
　　第二個(gè)是給前面定義加上所謂的“數字遙測”。在這種情況下，提供額外的控制功能以監視開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)，如溫度、輸出電流、輸入電流、輸入電壓、輸出電壓等，并根據需求或周期性地向主機報告。ID標記、故障狀態(tài)信息甚至時(shí)間標記事件等其他信息也可以存儲在片上非易失性存儲器中，并在將來(lái)某個(gè)時(shí)間報告這些信息，具有大量數字集成電路的高端系統是這類(lèi)數字電源的目標市場(chǎng)，而較低成本的消費類(lèi)產(chǎn)品可能不需要這樣的信息。
　　第三個(gè)也是最野心勃勃的數字電源含意是，用數字電路徹底取代開(kāi)關(guān)穩壓器中的所有模擬電路。據說(shuō)這樣將使開(kāi)關(guān)穩壓器更容易設計、配置、穩定、調節和銷(xiāo)售。更進(jìn)一步的理由是，通過(guò)編寫(xiě)幾行簡(jiǎn)單的代碼，一個(gè)核心數字電源集成電路就可以配置成升壓穩壓器、降壓穩壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器。正是數字電源的這個(gè)含意最讓我難以理解，因為從根本上來(lái)說(shuō)，電源是模擬的。甚至用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調制器的數字開(kāi)關(guān)穩壓器也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和開(kāi)關(guān)或FET驅動(dòng)器。此外，電感器或變壓器和電容器在實(shí)現數字電源時(shí)也是不能沒(méi)有的。
　　在單片DC/DC轉換器中，開(kāi)關(guān)設計總是會(huì )歸結為一個(gè)真實(shí)世界的模擬問(wèn)題。開(kāi)關(guān)設計是所有開(kāi)關(guān)穩壓器電源供應商都必須具有的一種基本核心的能力，甚至控制器產(chǎn)品也有MOSFET驅動(dòng)器，它們也受到相同的限制。當采用相對簡(jiǎn)單、沒(méi)有幾道掩模工序的工藝技術(shù)時(shí)，模擬控制電路采用相同的晶體管是設計和制造開(kāi)關(guān)穩壓器的最簡(jiǎn)單方式，今天更先進(jìn)的工藝技術(shù)可以集成高壓器件以及為數字處理而優(yōu)化的高密度低壓器件，但是這樣的工藝需要更多的掩模，因此成本更高。
　　像生活中的大多數選擇一樣，數字電源的選擇最終也歸結為經(jīng)濟問(wèn)題。為什么不采用簡(jiǎn)單的工藝技術(shù)，只為整個(gè)開(kāi)關(guān)提供高壓器件？如果不必采用既能制造高壓器件又能制造高密度亞微米邏輯器件的工藝技術(shù)，那么為什么非要采用這樣的技術(shù)來(lái)增加自己的負擔？當可以采用13個(gè)掩模的工藝流程時(shí)，為什么要使用30個(gè)掩模的工藝流程？為什么用3萬(wàn)門(mén)的DSP代替30個(gè)晶體管的誤差放大器？采用更復雜的工藝技術(shù)制造高密度邏輯器件和高壓器件，對客戶(hù)有什么幫助？可重編程性被認為是數字電源的一個(gè)特點(diǎn)，但是大多數客戶(hù)都是購買(mǎi)特定的集成電路來(lái)實(shí)現特定的功能。
　　另外，每年有幾百萬(wàn)個(gè)DC/DC轉換器集成電路賣(mài)到多種多樣的市場(chǎng)中，僅單片DC/DC集成電路的功率就覆蓋了從毫瓦到數百瓦的范圍，多家廠(chǎng)商提供幾千種集成電路供客戶(hù)選擇，領(lǐng)域覆蓋移動(dòng)電話(huà)、汽車(chē)、LCD TV、基站、大型服務(wù)器及路由器的多個(gè)市場(chǎng)。這些市場(chǎng)的需求千變萬(wàn)化，盡管每個(gè)市場(chǎng)上的每個(gè)客戶(hù)都希望解決方案能解決問(wèn)題，但是他們很少關(guān)心集成電路是怎么完成這種任務(wù)。
　　數字控制器：進(jìn)入電源市場(chǎng)的敲門(mén)磚
　　Silicon Labs公司市場(chǎng)經(jīng)理Brett Etter:
　　越來(lái)越多的廠(chǎng)商需要能夠提供更大集成度、更高效率、更快瞬時(shí)響應和更強大可編程能力的彈性控制解決方案。數字化電源控制具備上述所有優(yōu)點(diǎn)以及更高的系統可靠性、更強大的元器件誤差和溫度變動(dòng)耐受能力、更短的研發(fā)時(shí)間以及固有的成本優(yōu)勢，適用于服務(wù)器、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)數據通訊和電信系統、 

液晶和電漿電視以及工業(yè)與醫療設備的電源系統。
　　交換式電源供應的數字控制回路解決方案可分為固定功能硬件和DSP兩大類(lèi)，它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。固定功能的硬件解決方案雖然體積小、速度快和成本低，但是缺乏彈性；DSP解決方案擁有極好的彈性，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。
　　Silicon Labs綜合此兩方面的優(yōu)勢，以更高水平的瞬時(shí)響應、電源密度、輸出功率和電源效率目標，推出首批的數字化電源控制器Si8250，借此進(jìn)入電源市場(chǎng)。Si8250獨特架構包含主要回路控制所需的硬件DSP和負責執行系統管理功能的輔助微控制器，這使它兼具DSP和固定功能硬件解決方案的優(yōu)點(diǎn)，故可以簡(jiǎn)化系統設計、降低成本和節省空間。
　　交換式電源供應控制器市場(chǎng)的年銷(xiāo)售量估計為5億顆。Si8250已被市場(chǎng)接受，并有許多設計正在進(jìn)行中。Silicon Labs已提供許多開(kāi)發(fā)套件供客戶(hù)評估和研發(fā)使用，例如Astec已推出一款采用Si8250的產(chǎn)品，未來(lái)還會(huì )有更多產(chǎn)品陸續出現。
　　產(chǎn)品鏈接
　　Si8250全數字化電源控制解決方案，結合DSP的彈性以及固定功能數字硬件控制的成本效益和速度，提供所有必要的控制和保護功能，可用來(lái)為隔離式和非隔離式電源供應發(fā)展高度智能型和響應快速的電源供應與管理控制系統。Si8250內含高帶寬回路控制所需的專(zhuān)屬可編程DSP濾波器引擎和DPWM，另外還有50Mips 8051和32K可在線(xiàn)燒錄(ISP)閃存與12位、200Ksps的自?huà)呙枋侥M數字轉換器，可用來(lái)管理開(kāi)機、關(guān)機、故障偵測和復原等，有別于其他的模擬系統通常必須由外部硬件提供的這些功能。Si8250這些功能使它能提供一套體積小、成本低、易于使用和功能強大的數字控制解決方案。專(zhuān)屬高速硬件和閃存式微控制器的結合讓它同時(shí)具備純硬件解決方案的效能以及DSP的可編程彈性。Silicon Labs還為Si8250提供一套容易使用的工具，它能利用使用者現有的S域設計方法并將數字化電源設計的學(xué)習難度減至最少。
　　記者觀(guān)察
　　數字電源市場(chǎng)前景誘人 新老廠(chǎng)商開(kāi)疆拓土
　　-羅翠欽
　　隨著(zhù)電子設備的功能越來(lái)越復雜，業(yè)界開(kāi)始轉向數字控制的電源管理，數字電源是電源管理發(fā)展的新思路。對于“數字電源”這一新名詞，業(yè)界還沒(méi)有統一的定義，但都是圍繞電源的數字管理和控制說(shuō)事兒。主攻方向為服務(wù)器、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)數據通訊和電信系統、工業(yè)與醫療設備等應用市場(chǎng)。
　　TI、飛思卡爾、Silicon Labs、Atmel等IC廠(chǎng)商都非?？春脭底蛛娫吹奈磥?lái)市場(chǎng)，并率先投入到這一新的競爭領(lǐng)域。TI將其可編程數字技術(shù)與模擬技術(shù)結合推出了Fusion數字電源解決方案；飛思卡爾56F8000系列數字控制器宣稱(chēng)應對高 

性?xún)r(jià)比、高效率需求。一些新進(jìn)入者把數字電源視為未來(lái)發(fā)展的極好機會(huì )，Silicon Labs欲以數字電源為跳板進(jìn)入電源管理領(lǐng)域。另外，Atmel、Zilker Labs也宣布加入到數字電源的競爭行列中。
　　數字電源何以區別傳統模擬電源？專(zhuān)家稱(chēng)，數字控制器解決方案可分為固定功能硬件和DSP兩大類(lèi)，它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。固定功能的硬件解決方案雖然體積小、速度快和成本低，但是缺乏彈性；DSP解決方案擁有極好的彈性，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。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，其產(chǎn)品已被客戶(hù)采用，他們相信未來(lái)市場(chǎng)將會(huì )有更快更好的發(fā)展。
　　除了這些IC廠(chǎng)商，嗅覺(jué)靈敏的調研公司也對此給予極大關(guān)注。據市場(chǎng)研究機構Darnell Group估計，AC/DC和DC/DC電源轉換的市場(chǎng)價(jià)值將在2009年達到174億美元。iSuppli公司電源IC分析師則表示，30年前電源行業(yè)開(kāi)始轉向開(kāi)關(guān)模式電源MOSFET，這是一個(gè)很大的變化，而現在電源數字化趨勢可能是更大的變化。
　　更大集成度、更高效率、更快瞬時(shí)響應及更高靈活性成為數字電源廣受青睞的理由。然而，對于這一新興事物，業(yè)內人士也有不同看法。著(zhù)名電源管理IC廠(chǎng)商Linear稱(chēng)，成本、性能成為客戶(hù)的重要選擇指標，與模擬解決方案相比，數字電源成本偏高，而性能也沒(méi)有體現什么優(yōu)勢，因而其處境尷尬。Databeans模擬分析師也表示，數字電源目前的主要問(wèn)題是電源工程師還不習慣編程。