電源系統(tǒng)的數(shù)字化時代

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

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

事實上，數(shù)字與模擬這兩種技術(shù)并非針鋒相對，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(shù)字技術(shù)的價值也會根據(jù)不同的 電源應用而有所差異，例如，簡單的可通過業(yè)界標準協(xié)議(如PMBus)實現(xiàn)控制與配置;復雜的可借助引擎處理能力，采用結(jié)構(gòu)化的動態(tài)工作模式提高電源可靠 性及效率。

通過取長補短、恰當結(jié)合這兩種核心技術(shù)，電源解決方案會更加優(yōu)化、豐富。TI公司亞太區(qū)電源產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)嚴宗福就表示：“借助數(shù)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(shù)字電源管理解決方案將在今后多年內(nèi)長期共存。”美國國家半導體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場 總監(jiān)黃漢基也指出：“未來幾年內(nèi)模擬控制與數(shù)字控制這兩種不同的技術(shù)將會在市場上各據(jù)一方。”

數(shù)字電源vs.模擬電源

數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別主要集中在控制與通信部分。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應用場合，模擬電源產(chǎn)品可能更具優(yōu)勢;而在可控因素較多、實時反 應速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的復雜高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有更大的優(yōu)勢。例如數(shù)據(jù)(服務器、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(yī)療設備等。

圖1：數(shù)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(shù)字電源方案難以達到模擬設計的高效率，而現(xiàn)在已有一些數(shù)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(shù)字電源技術(shù)采用智能方 法優(yōu)化系統(tǒng)效率，數(shù)字控制提供了無需額外電路便可管理及監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)所有電源的能力。當電子系統(tǒng)日益復雜時，數(shù)字電源技術(shù)將會成為一種重要的工具，幫助系統(tǒng) 設計人員優(yōu)化系統(tǒng)性能。

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

對此，Maxim公司業(yè)務經(jīng)理Ahmad Ashrafzadeh也有同感，他認為，數(shù)字電源不可能在所有應用領(lǐng)域替代模擬電源，數(shù)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產(chǎn)品，這些性能可能還是多余的。目前數(shù)字電源最適于服務器、網(wǎng)絡交換機、路由器等要求可靠監(jiān)控的產(chǎn)品及基礎架構(gòu)設備。

Intersil公司應用工程總監(jiān)Greg Miller也認為數(shù)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，他不同意一些人提出的數(shù)字控制理論。“在數(shù)字IC與電源管理 IC的接口部分采用數(shù)字電路能提升效率，但是在電源管理IC內(nèi)部我們不贊成采用數(shù)字控制，我們認為模擬控制能實現(xiàn)更小的芯片尺寸和功耗。” Miller表示。Zilker Labs公司行銷副總裁Jim MacDonald也指出，模擬電源器件仍將是電源管理市場的重要部分。

目前在整個市場中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例還很小，不過，隨著越來越多的系統(tǒng)開發(fā)商采用這種技術(shù)，數(shù)字技術(shù)似乎正在成為電源系統(tǒng)設計的新趨勢。 Intersil的Miller認為，模擬與數(shù)字電源解決方案會跨越不同領(lǐng)域共存，但數(shù)字電源方案會逐步普及并拿走模擬方案的市場份額，數(shù)字電源最終會成 為電源市場的重要區(qū)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、更快瞬時響應以及更大靈活性是數(shù)字電源的主要優(yōu)勢。通常情況下，模擬PWM架構(gòu)能夠提供較高分辨率，但無法實現(xiàn)數(shù)字控制架構(gòu)所具備的輸出 電壓監(jiān)視、通信及其它復雜控制功能;而對于數(shù)字PWM，為了達到與模擬控制架構(gòu)同等的性能指標必須具備高分辨率、高速和線性ADC，以及高分辨率、高速 PWM電路，因而與模擬控制架構(gòu)相比，數(shù)字控制架構(gòu)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(shù)字電路相結(jié)合，在不犧牲模擬控制所具備的精度和無限分辨率的情況下，提供數(shù)字控制所具有的全部性能。

在數(shù)字控制器方面，目前的方案分為固定功能硬件和DSP兩大類，兩者各有優(yōu)缺點。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，需要很長的軟件學習過程。相對而言，DSP控制的電源采用數(shù)字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復 雜的電源需求、實時反應速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。當前，TI、飛思卡爾、Silicon Labs的數(shù)字電源控制器均采用模擬技術(shù)與DSP相結(jié)合的策略。

實際上，在UPS、逆變電源和馬達控制等領(lǐng)域，很早就有采用通用DSP進行控制。目前的數(shù)字電源芯片很多都是采用DSP或MCU針對電源應用進行一系 列功能和接口的優(yōu)化。例如，TI的數(shù)字電源解決方案Fusion Digital Power中用于AC/DC電源的UCD9501，就是源于其DSP產(chǎn)品TMS320。除了提供DSP控制的數(shù)字電源IC，TI還有MCU控制的數(shù)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(shù)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(shù)字電源解決方案達到了模擬電源解決方案的高效率。