可編程彈性顯優(yōu)勢　數字電源管理IC大放異彩

精準監控電流/電壓　數字電源管理需求看漲

　　過(guò)往工程師在開(kāi)發(fā)電子元件時(shí)若須調整元件電源效率，往往須大費周章調整電路板，因此業(yè)界提出數字電源系統管理技術(shù)，協(xié)助元件開(kāi)發(fā)商在短時(shí)間內以數字介面監測、修改元件參數（Parameter），以提高元件能源使用效率。

　　
圖1　凌力爾特微型模組電源產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Afshin Odabaee表示，
數字電源管理技術(shù)將有助于資料中心廠(chǎng)商精準監控電力使用情形。

　　凌力爾特（Linear Technology） μModule電源產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Afshin Odabaee（圖1）表示，伺服器從元件、電路板至系統整體的耗電變化已成為資料中心可靠度的重要指標，不過(guò)，要減少整體電力消耗則須精準觀(guān)察每個(gè)層級的用電量（圖2）。數字電源系統管理技術(shù)能透過(guò)數字匯流排（Digital Bus）提供設計人員重要的電源相關(guān)數據，包括負載電流、輸入電流、輸出電壓、運算電力消耗、整體效率以及其他電源管理參數等。

　　圖2　數字電源系統管理技術(shù)將層層把關(guān)電源消耗情形。

　　Odabaee進(jìn)一步指出，與傳統負載點(diǎn)（Point of Load， POL）轉換器相較，數字電源系統管理技術(shù)能提供三大優(yōu)勢，包括電壓優(yōu)化（Voltage Optimization）、動(dòng)態(tài)控制電壓輸出以及系統級的電力監控。

　　關(guān)于電壓優(yōu)化特色，Odabaee分析，由于電壓輸出精準度對特定應用積體電路（ASIC）及現場(chǎng)可編程閘陣列（FPGA）供電而言至關(guān)重要，但傳統電源供應輸出電壓在溫度變化時(shí)容易產(chǎn)生飄移（Drift），并可能破壞整體設計。數字電源系統管理技術(shù)則能持續地以高精度及可靠的類(lèi)比數字轉換器（ADC）量測電壓輸出情形。與此同時(shí)，時(shí)間伺服回路（Time Servo Loop）將自動(dòng)調整修正數字類(lèi)比轉換器（Trim DAC）值，藉此消除輸出電壓偏移情形，改善供電精準度。

　　另一方面，數字電源系統管理技術(shù)還能動(dòng)態(tài)控制輸出電壓。傳統電源供應電壓通常系固定的，且無(wú)法簡(jiǎn)單地改變；數字電源系統管理方案將可透過(guò)雙線(xiàn)（2-wire）數字介面，調整1毫伏特（mV）以下的電源變化，工程師可輕松地以此調整系統效能、最小化能源浪費。

　　事實(shí)上，數字電源系統管理技術(shù)最重要的功能系系統級電源監控。傳統電源供應方案中，電源監控功能往往被分開(kāi)放至直流對直流（DC-DC）穩壓器 （Regulator）上，僅有部分過(guò)電壓/低電壓（OV/UV）以及過(guò)電流（OC）錯誤可被偵測并傳送至主控制器中；數字電源系統管理技術(shù)的電源監控則系內建功能且可編程。數字電源系統管理技術(shù)可計算電壓/電流錯誤與高精度電壓、電流及溫度等變化關(guān)聯(lián)情形，并儲存于內部非揮發(fā)性記憶體，以進(jìn)一步除錯，并且分析根本肇因。

　　凌力爾特最新μModule降壓DC-DC穩壓器--LTM4676已導入數字電源系統管理技術(shù)，在16毫米 （mm）×16毫米×5.01毫米的球閘陣列（BGA）封裝中，整合雙組類(lèi)比控制回路、精密混合訊號電路、電子式可清除可編程唯讀記憶體 （EEPROM）、功率金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）、電感和支援零組件，可彈性調整電源供應情形，提高能源使用效率。

　　事實(shí)上，除透過(guò)數字電源系統管理技術(shù)確保能源效率外，電源管理IC若本身具備可編程特色，將為整體電源管理效能增添助力。

　　由于可編程電源管理積體電路（Programmable Power Management IC）不僅具備高彈性電源調整空間，且可減少電阻、電容元件的使用顆數，顯著(zhù)縮小電路板面積，因而吸引賽靈思（Xilinx）、Altera、英特爾 （Intel）、飛思卡爾（Freescale）等晶片大廠(chǎng)相繼推出參考設計，欲搶先卡位高達1.5億美元的潛在市場(chǎng)（TAM）。

　　具動(dòng)態(tài)調節優(yōu)勢　可編程PMIC前景可期

　　
圖3　EXAR電源管理與AMS副總裁James Lougheed認為，
可編程電源管理方案已成為整體電源管理方案中快速成長(cháng)的一大類(lèi)別。

　　EXAR 電源管理與類(lèi)比混合訊號（AMS）副總裁James Lougheed（圖3）表示，整體電源管理市場(chǎng)產(chǎn)值正明顯躍升，除線(xiàn)性產(chǎn)品與非獨立式DC-DC切換穩壓器各具備35億美元的市場(chǎng)潛力外，可編程電源管理產(chǎn)品前景更是不容小覷，目前已有超過(guò)一百家以上的x86及安謀國際（ARM）架構的伺服器、基地臺、影像監控（Video Surveillance）及家庭閘道（Home Gateway）業(yè)者看好可編程電源IC低成本、高整合度的優(yōu)勢，將其大量導入產(chǎn)品設計中。

　　Lougheed分析，電源管理市場(chǎng)正掀動(dòng)一股產(chǎn)業(yè)變化，為可編程電源管理方案帶來(lái)快速成長(cháng)的契機，包括智慧電源供應（Intelligent Power Supply）以及模組電源（Module Power）等需求皆迅速增加。

　　以智慧電源供應需求為例，電源監控方案除須提升至系統層級外，尚須減少元件數量及整體電路板面積，以提高電源監測可靠度。與此同時(shí)，電源監控方案須支援多重關(guān)閉模式（Multiple Shutdown Modes）及動(dòng)態(tài)電壓規模（Dynamic Voltage Scaling），以避免多余電源浪費情形。

　　Lougheed比較傳統類(lèi)比脈寬調變（PWM）以及可編程電源管理方案兩者的四通道方案元件顆數，前者需一百四十八顆、后者僅需三十三顆，可顯著(zhù)減少電路板占位面積。

　　事實(shí)上，電源方案廠(chǎng)商若要在短時(shí)間內針對企業(yè)、工業(yè)等各式不同應用端設計產(chǎn)品，將傾向采用模組化的可編程電源管理方案，除可省卻重新設計系統的麻煩，亦可在伺服器、網(wǎng)路或通訊設備有限的空間中發(fā)揮電源管理方案的最大效益。

　　據了解，由于可編程電源管理市場(chǎng)發(fā)展潛力龐大，因此EXAR除發(fā)表一系列切換控制器、線(xiàn)性穩壓器外，更大規模投資多重輸出數字控制器（Multi Output Digital Controller）--PowerXR系列產(chǎn)品，欲于網(wǎng)路、電信、伺服器以及工業(yè)等各大應用市場(chǎng)大顯身手。

　　同樣看好可編程電源管理市場(chǎng)前景，現場(chǎng)可編程閘陣列（FPGA）廠(chǎng)商賽靈思、Altera以及晶片大廠(chǎng)英特爾、飛思卡爾、博通（Broadcom）、超微 （AMD）等也已推出采用EXAR PowerXR方案的可編程電源管理參考設計，預備于未來(lái)幾年挾數字電源的可編程彈性大舉搶市。

　　值得一提的是，Altera為進(jìn)一步改善FPGA耗電表現，除與業(yè)界推出參考設計外，更于今年5月斥資1.4億美元并購DC-DC電源晶片廠(chǎng)商Enpirion，并新增一系列高效率DC-DC電源轉換產(chǎn)品線(xiàn)--PowerSoC系列。

　　Enpirion電源專(zhuān)業(yè)發(fā)功　Altera優(yōu)化FPGA功耗

　　Altera已將電源方案整合至旗下FPGA參考設計，期提供客戶(hù)更高的FPGA電源轉換效率及更小的電路板面積，希望藉由高效率電源管理方案鞏固市場(chǎng)地位。

　　
圖4　Altera電源事業(yè)行銷(xiāo)總監Mark Davidson指出，Altera最新
電源優(yōu)化參考設計讓客戶(hù)僅需簡(jiǎn)易三步驟即可完成產(chǎn)品設計。

　　Altera 電源事業(yè)行銷(xiāo)總監Mark Davidson（圖4）表示，電源管理設計對Altera客戶(hù)而言已成為決定產(chǎn)品成敗的重要關(guān)鍵，因此，該公司除針對成本、頻寬等不同需求推出各式復雜可程式邏輯元件（CPLD）及FPGA產(chǎn)品線(xiàn)外，更在并購Enpirion后加入完整、易上手且高效率的電源解決方案，并使其與Altera旗下FPGA 產(chǎn)品搭配，為客戶(hù)提供更高產(chǎn)品附加價(jià)值，且讓客戶(hù)可于短時(shí)間內設計出更高效能的系統。

　　Davidson強調，Altera除將持續提供自有的FPGA電源管理專(zhuān)業(yè)外，更將借力Enpirion獨特的DC-DC電源技術(shù)優(yōu)勢，包括先進(jìn)電源封裝（Advanced Power Packaging）、電磁工程（Magnetics Engineering）、高頻率切換（High Frequency Switching）等，并將上述優(yōu)勢的高整合PowerSoC系列產(chǎn)品與Altera旗下FPGA產(chǎn)品線(xiàn)進(jìn)一步結合，強化FPGA電源管理效能。

　　據了解，由于Enpirion的PowerSoC DC-DC電源轉換器在極小的封裝中整合控制器、高頻功率場(chǎng)效電晶體（High Frequency Power FET）以及數個(gè)電感器（Inductor），因而可以在理想的電路板占位面積中滿(mǎn)足FPGA電源動(dòng)態(tài)表現需求。與競爭對手方案相較，Enpirion電源解決方案可協(xié)助FPGA電路板開(kāi)發(fā)商減少50%以上占位面積、提升35%整體系統電源表現效率（圖5）。

　　圖5　Enpirion電源管理方案將可提升Altera旗下FPGA的電源效率。

　　不僅如此，Enpirion電源解決方案的控制回路（Control Loop）可產(chǎn)生理想的暫態(tài)表現，因此Altera客戶(hù)可減少使用50%以上的大型解耦電容器（Bulk Decoupling Capacitor）顆數；另外，Altera亦利用本身專(zhuān)業(yè)，以高效率切換式穩壓器（Switching Regulator）替代線(xiàn)性（Linear）調整方案，提供低噪（Low Noise）及高效率電力轉換器與鎖相回路（PLL）。綜合以上技術(shù)，Altera可協(xié)助客戶(hù)顯著(zhù)減少元件顆數，并提供更高的產(chǎn)品可靠度以及延長(cháng)產(chǎn)品生命周期。

　　Altera約半年前并購Enpirion后，于10月推出首款電源優(yōu)化FPGA參考設計，提供FPGA使用者及電路板開(kāi)發(fā)商一套完整（Turnkey）的電源解決方案。Altera首款參考設計將鎖定Cyclone V系統單晶片（SoC）系列，而第四季稍晚該公司亦將陸續發(fā)表Stratix V、Arria V與Cyclone V FPGA系列電源優(yōu)化參考設計，而上述產(chǎn)品皆基于28奈米（nm）制程生產(chǎn)；除此之外，2014年上半年Altera將進(jìn)一步發(fā)表針對28奈米制程產(chǎn)品電源優(yōu)化方案的完整開(kāi)發(fā)套件，協(xié)助客戶(hù)大幅縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間。

業(yè)界透過(guò)并購案強化數字電源管理技術(shù)能力的廠(chǎng)商不只一家，戴樂(lè )格 （Dialog）今年7月并購交流對直流（AC-DC）數字電源管理IC商iWatt后，也展開(kāi)一連串的市場(chǎng)拓展動(dòng)作，期利用iWatt既有的AC-DC 電源管理技術(shù)、專(zhuān)利及LED專(zhuān)業(yè)，于數字電