數(shù)字電源規(guī)模應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)

 數(shù)字電源不再“紙上談兵”，規(guī)模應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)

   當(dāng)前，很多嵌入式控制設(shè)計(jì)人員正在將8位或16位MCU設(shè)計(jì)進(jìn)行升級(jí)。為了幫助他們實(shí)現(xiàn)向32位數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的過(guò)渡，TI最新推出四款新型TMS320F280x數(shù)字信號(hào)控制器(已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn))，并首次將高性能F28xx系列芯片價(jià)格拉到3美元左右。與此同時(shí)，Microchip也發(fā)布了最新的DSC產(chǎn)品。但是與TI從高端應(yīng)用切入不同，Microchip的產(chǎn)品主要針對(duì)低端或簡(jiǎn)單級(jí)別數(shù)字電源，價(jià)格2.99美元起，對(duì)某些具體應(yīng)用而言也頗具成本優(yōu)勢(shì)。 
    兩大半導(dǎo)體巨頭相繼推出的低成本DSC使數(shù)字電源的應(yīng)用不再是“紙上談兵”，但是從目前的情況來(lái)看，由于絕大多數(shù)開關(guān)電源都是采用傳統(tǒng)的模擬電路，數(shù)字控制電源作為一種新興技術(shù)還處于摸索階段，從設(shè)計(jì)人員切換到產(chǎn)品定義，再到廣泛應(yīng)用，數(shù)字電源的規(guī)模應(yīng)用仍需要一個(gè)過(guò)程。 
    兩大低成本DSC方案比較 
    TI最新的TMS320F280x產(chǎn)品不僅具備32位DSP性能，而且實(shí)現(xiàn)了與MCU相似的外設(shè)集成，方便易用，主要面向數(shù)字電源、馬達(dá)控制以及智能傳感器控制等應(yīng)用。 



    四款新品都采用F280x的設(shè)計(jì)，均可實(shí)現(xiàn)32位寬度的數(shù)據(jù)處理，每秒375萬(wàn)次采樣的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、正交編碼器(QEP)接口，最新專利的150微微秒(ps)分辨率的的脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道，并具有CAN、I(SUP/)2(/SUP)C、UART、SPI等端口。通過(guò)對(duì)閃存和外設(shè)進(jìn)行一定裁剪后，TMS320F28015/F28016的最低每千片批量單價(jià)僅為3.25 美元。TI上海應(yīng)用開發(fā)中心工業(yè)和家電部經(jīng)理于振宇介紹：“TI把集成大容量閃存、大量通信接口的高性能信號(hào)處理控制器拉到3美元價(jià)位，創(chuàng)造了F28xx系列產(chǎn)品的新紀(jì)錄。價(jià)格達(dá)到了16位單片機(jī)水平，但性能不可同日而語(yǔ)。” 
    作為電源轉(zhuǎn)換行業(yè)領(lǐng)先的單片機(jī)和模擬控制產(chǎn)品供應(yīng)商，Microchip日前也推出適用于通用、多回路開關(guān)電源(SMPS)和其它電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的16位DSC系列dsPIC。dsPIC30F1010和dsPIC30F2020/2023(dsPIC30F202X)DSC具備分辨率為1ns的PWM，以及可實(shí)現(xiàn)低延遲時(shí)間和高分辨率控制、每秒200萬(wàn)次采樣的10位ADC。dsPIC有電壓模式、電流模式兩種控制方式，器件尺寸小，針對(duì)不同的應(yīng)用有很好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。 
   “當(dāng)前，由于缺乏有效的解決方案，對(duì)整個(gè)電源轉(zhuǎn)換回路進(jìn)行數(shù)字控制的應(yīng)用發(fā)展緩慢。dsPIC DSC SMPS解決方案在某些應(yīng)用實(shí)例中的成本和性能優(yōu)勢(shì)非常明顯，如帶多路輸出、協(xié)調(diào)負(fù)載共享，熱插拔能力、輸出協(xié)調(diào)、集成功率因數(shù)校正或豐富故障處理的電源?！盡icrochip公司數(shù)字信號(hào)控制器部門戰(zhàn)略市場(chǎng)總監(jiān)Steve Marsh進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“Microchip是第一家能夠真正做到數(shù)字電源控制的廠商，dsPIC系列DSC能幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的全面數(shù)字控制?！?nbsp;
    DSP與MCU融合成為趨勢(shì)，TI與Microchip欲爭(zhēng)寵 
    一邊是DSP行業(yè)老大，一邊是單片機(jī)(MCU)領(lǐng)域的佼佼者，兩家半導(dǎo)體巨頭都對(duì)數(shù)字電源應(yīng)用前景非常樂觀，分別從傳統(tǒng)DSP和傳統(tǒng)MCU角度切入，以融合DSP與MCU的解決方案進(jìn)軍數(shù)字電源領(lǐng)域。傳統(tǒng)MCU做控制應(yīng)用比較友好，但數(shù)字處理能力弱；傳統(tǒng)DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，但由于缺乏做控制應(yīng)用必需的片上閃存、數(shù)據(jù)接口、ADC等外設(shè)，其控制應(yīng)用不是很友好。因而，DSP與MCU融合成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。 
    結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，DSP高性能與MCU易用性的完美融合是TI新型F280x產(chǎn)品的關(guān)鍵賣點(diǎn)。該系列產(chǎn)品有個(gè)特點(diǎn)，一方面是具有DSP的CPU，所以有強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)學(xué)計(jì)算速度，同時(shí)具有作控制應(yīng)用所必須的外設(shè)和片上應(yīng)用模擬模塊。TI的于振宇相信DSP是必然趨勢(shì)，他指出：“傳統(tǒng)MCU工程師正在逐漸向DSP轉(zhuǎn)移，DSP設(shè)計(jì)方便，而且模型建立后，其編程也很方便，加之其系統(tǒng)性、可移植性、可維護(hù)性的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)向DSP轉(zhuǎn)移是必然趨勢(shì)。” 
     但背靠MCU發(fā)家的Microchip認(rèn)為MCU更受工程師青睞，Marsh稱：“兼具DSP功能的MCU更貼近客戶使用習(xí)慣。從客戶需要來(lái)說(shuō)，他們想要DSP提供給他們的功能，但并不想要DSP，或者只想要非常簡(jiǎn)單易用的DSP技術(shù)?！彼又a(bǔ)充道：“原來(lái)的產(chǎn)品是兩個(gè)指令流，一個(gè)用于DSP，一個(gè)用于單片機(jī)，Microchip新推出的DSC是單指令流，在整個(gè)架構(gòu)中，它使用C語(yǔ)言編譯器，編碼非常高效?！?nbsp;
     模擬向數(shù)字切換，設(shè)計(jì)人員重新面臨挑戰(zhàn) 
     隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實(shí)現(xiàn)該性能所必需的元件數(shù)量和成本也會(huì)隨之增加，越來(lái)越多的控制需要通過(guò)具有成本效益的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，未來(lái)在電源系統(tǒng)控制應(yīng)用中將是模擬與數(shù)字共存。 
     Marsh表示：“在DC/DC應(yīng)用中，通常是在100瓦特以上的系統(tǒng)中會(huì)應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在AC/DC應(yīng)用中，250瓦特以上的系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，這樣的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性會(huì)更高一些。對(duì)于更為復(fù)雜的應(yīng)用，如果客戶想繼續(xù)在系統(tǒng)上增加性能，就會(huì)更多地采用全面的數(shù)字技術(shù)，因?yàn)槟M的系統(tǒng)已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)那么高的經(jīng)濟(jì)性了?！?nbsp;
     目前，由于絕大多數(shù)開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員一直采用傳統(tǒng)模擬電路，數(shù)字控制電源作為一種新興技術(shù)還處于摸索過(guò)程中，需要建立起一套新的理論和方式方法。于振宇指出：“在電源系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)下，對(duì)電源的狀態(tài)控制和了解要求也越來(lái)越高，模擬控制轉(zhuǎn)到數(shù)字控制面臨很多挑戰(zhàn)。首先是響應(yīng)速度或帶寬，模擬控制對(duì)信號(hào)狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時(shí)的，而數(shù)字控制電路是一個(gè)采樣系統(tǒng)，涉及到延時(shí)問(wèn)題，這就需要CPU、ADC等有很高的計(jì)算速度。第二，可靠性成為新的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)習(xí)慣模擬設(shè)計(jì)可靠性，變成數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)如何提高并保證可靠性，他們不知道怎么面對(duì)?！睘榇?，TI專門組建了由負(fù)責(zé)C2000產(chǎn)品和模擬電路設(shè)計(jì)的資深工程師組成的數(shù)字電源產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)，并為設(shè)計(jì)人員提供多種參考設(shè)計(jì)平臺(tái)，而不必從頭做起。 
    作為一項(xiàng)新技術(shù)，數(shù)字電源應(yīng)用的規(guī)模啟動(dòng)到底需要什么樣的芯片？盡管每家公司都宣稱有“好”的產(chǎn)品，但從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，規(guī)模應(yīng)用還需要一個(gè)過(guò)程。據(jù)了解，目前幾家中國(guó)通信電源廠商已開始采用TI產(chǎn)品投入量產(chǎn)，另有一些還處于產(chǎn)品研發(fā)階段。但是盡管當(dāng)前主要仍是一些大公司利用數(shù)字電路技術(shù)設(shè)計(jì)電源，但Marsh相信，隨著更多的大公司逐漸把這項(xiàng)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)中，小型公司看到其帶來(lái)的好處后也會(huì)逐步開始采用。