揭秘?cái)?shù)字電源轉(zhuǎn)換“失寵”的背后

　　由于電子系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜——每個(gè)處理器需要多達(dá) 5 個(gè)電壓軌，而每個(gè)印刷電路板又具有多個(gè)處理器，因此電源復(fù)雜性增加了。諸如跟蹤、排序與邊際檢查以及電壓軌上低至 0.9V 的嚴(yán)格穩(wěn)壓要求使得電源專(zhuān)家們認(rèn)為數(shù)字電源是解決上述這些問(wèn)題的有效的替代解決方案。

　　目前新型數(shù)字電源控制器和功率級(jí)設(shè)計(jì)擁有許多高級(jí)特性，如：冗余AC或DC電源、工作范圍內(nèi)超過(guò)90% 的高工作效率、故障容限設(shè)計(jì)、診斷與自動(dòng)測(cè)量記錄傳導(dǎo)。人們通常把數(shù)字電源解決方案視為一些應(yīng)用的未來(lái)電源，如：無(wú)線基站、高速數(shù)據(jù)語(yǔ)音、視頻網(wǎng)絡(luò)、可再生能源應(yīng)用等等。

　　數(shù)字電源的市場(chǎng)規(guī)模和增長(zhǎng)率

　　Darnell Group 最新的一份報(bào)告顯示：數(shù)字電源IC市場(chǎng)在未來(lái)五年內(nèi)銷(xiāo)售額將一躍達(dá)到近 8 億美元。《數(shù)字電源新興市場(chǎng)：組件、轉(zhuǎn)換器以及系統(tǒng)級(jí)商機(jī)》第二版報(bào)告調(diào)研了包括 VR 環(huán)路控制、非 VR 環(huán)路控制器、功率因數(shù)環(huán)路校正環(huán)路控制器、轉(zhuǎn)換器管理 IC 以及系統(tǒng) IC 在內(nèi)的全球數(shù)字IC市場(chǎng)。Darnell 預(yù)測(cè)該市場(chǎng)銷(xiāo)售額將會(huì)從2006年的1.69 億美元增長(zhǎng)到2011年的7.96 美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 36.4%。

　　Darnell 注意到了影響該市場(chǎng)增長(zhǎng)的一些因素：在過(guò)去的幾年里，數(shù)字電源管理和控制產(chǎn)品市場(chǎng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。更多的電源轉(zhuǎn)換器公司都將推出集成了數(shù)字電源管理和控制IC 解決方案的產(chǎn)品，其中包括混合（模擬和數(shù)字）和純數(shù)字電源。 與此同時(shí)，系統(tǒng)廠商正努力尋找數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)，并積極推出其自己的解決方案——通常是一些專(zhuān)用解決方案。

　　Darnell 調(diào)研顯示其他的一些經(jīng)濟(jì)因素也將成為推動(dòng)數(shù)字電源取代模擬解決方案的必然性。模擬IC 技術(shù)遵循其自己的摩爾定律，如每一代模擬裸片尺寸都會(huì)縮小 30% 并且每 4～8 年成本就會(huì)下降一半。 就數(shù)字 IC 而言，每新推出一代產(chǎn)品或每增加 18～24 月裸片尺寸就會(huì)縮小 2 倍。

　　但是，由于每推出新一代產(chǎn)品的成本就要高 10%～20%，因此要想將數(shù)字電源的成本降低 2 倍要花費(fèi)大約 2～3 年的時(shí)間。制造比模擬控制器成本更低的數(shù)字電源控制器的制造節(jié)點(diǎn)早就有了。Darnell 調(diào)研顯示在兩種半導(dǎo)體工藝使用壽命中，就在商品部件中使用而言其將變得更具成本效益，如：電源控制 IC。該調(diào)研公司還注意到如果具體應(yīng)用要求“多功能”解決方案的話，數(shù)字電源已經(jīng)比模擬電源便宜。

　　要求數(shù)字電源的應(yīng)用

　　在過(guò)去的幾年里，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開(kāi)始將電源系統(tǒng)/轉(zhuǎn)換器看成是罪惡之源，因?yàn)楸仨殞⑵淇紤]到將來(lái)要推出產(chǎn)品的整體成功中去。

　　三十年前，人們就播下了該行業(yè)從根深蒂固的線性技術(shù)向開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換的種子。這是一場(chǎng)艱苦的戰(zhàn)斗。但是隨著 PWM 控制器 IC 的不斷發(fā)展以及 MOSFET 增強(qiáng)和封裝技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)關(guān)模式電源 （SMPS） 已能夠克服障礙并主導(dǎo)所有電源級(jí)別的市場(chǎng)。隨著開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換對(duì)所有前端影響的加大，外形尺寸不斷縮小、性能不斷提高且成本也不斷降低。線性產(chǎn)品憑借其獨(dú)特的屬性占有一席之地。

　　雖然在過(guò)去的 10 年里數(shù)字電源轉(zhuǎn)換一直很受青睞，但由于以下三個(gè)原因其采用已大大放緩。

　　一、模擬模工程師的能力問(wèn)題，他們?cè)O(shè)計(jì)了功率級(jí)、磁場(chǎng)和控制器，此外還要進(jìn)行 PCB 布局。現(xiàn)在他需要學(xué)習(xí)數(shù)字硬件與固件知識(shí)或擁有一個(gè)圍繞數(shù)字電源設(shè)計(jì)工作的三人工作小組；

　　二、成本收益比；

　　三、我們不應(yīng)忘記完全采用開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器花費(fèi)了我們 20 來(lái)年的時(shí)間，現(xiàn)在時(shí)機(jī)成熟了。我們必須要將所有上述這些原因和只有數(shù)字電源才能更好地解決問(wèn)題而模擬解決方案達(dá)不到這種效果的應(yīng)用聯(lián)系在一起。

　　雖然人們進(jìn)行了許多采用數(shù)字電源的嘗試，但是數(shù)字電源技術(shù)沒(méi)有在任何一個(gè)將會(huì)給電源產(chǎn)業(yè)帶來(lái)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的具體應(yīng)用中得到廣泛采用。人們?nèi)匀辉诳紤]是否需要一個(gè)推動(dòng)采用或非成本敏感型 200A、多相位服務(wù)器內(nèi)核電源的大容量 PC 市場(chǎng)，或要求診斷和自動(dòng)測(cè)量記錄傳導(dǎo)的 N+1 型冗余市場(chǎng)。在任何情況下，數(shù)字控制都必須能夠以與模擬解決方案相同的價(jià)格來(lái)滿足所有系統(tǒng)苛刻的性能要求。數(shù)字解決方案必須要大大拓展應(yīng)用領(lǐng)域，從而提供模擬電源系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)甚至是從未實(shí)現(xiàn)的突破性特性 。

　　自 20 世紀(jì) 90 年代末以來(lái)，真正的數(shù)字電源控制器一直不斷發(fā)展，即真正的數(shù)字信號(hào)處理器、微 ASIC 和狀態(tài)機(jī)?，F(xiàn)在，他們正處于緊要關(guān)頭，硬件、軟件和設(shè)計(jì)工具共同驅(qū)動(dòng)數(shù)字控制器到相同的電源范圍 （turf） 作為模擬。在今年的電源電子技術(shù)會(huì)議和巴爾的摩展會(huì)上展出的高級(jí)設(shè)計(jì)工具的可用性消除了人們對(duì)編程的畏懼心理，該編程工作困擾著許多經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬電源設(shè)計(jì)人員。這些工具所提供的高級(jí) GUI 特性不但不需編程，而且還簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，這是除成本之外的兩大主要障礙。開(kāi)發(fā)時(shí)間被大大縮短并且效率也變得相當(dāng)可觀。此外，其還開(kāi)通了主機(jī) CPU 和電源之間通信線路，從而允許軟件對(duì)電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)配置而不用更換硬件。此外，其還將電源作為系統(tǒng)級(jí)功能性。

　　目前數(shù)字控制器廠商已在該技術(shù)上投入了足夠的資金，主要包括列舉和展示數(shù)字電源給主要終端設(shè)備 OEM 廠商帶來(lái)的固有優(yōu)勢(shì)?；诓捎寐剩恍┦袌?chǎng)分析師預(yù)測(cè)這種新型的技術(shù)將會(huì)有一個(gè)光明的前景。到 2020 年末，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器將與模擬解決方案勢(shì)均力敵。

　　要求數(shù)字電源控制器的曲型應(yīng)用之一是如下所示的太陽(yáng)能逆變器。

　　太陽(yáng)能逆變器結(jié)構(gòu)圖

　　太陽(yáng)能逆變器是整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件。它擔(dān)負(fù)著將 PV 電池的可變 DC 輸出轉(zhuǎn)換成一個(gè)清潔的正弦波 50 或 60 Hz 電流的任務(wù)，以適用于為商用電網(wǎng)或局部電網(wǎng)供電。

　　DSP 控制器——數(shù)字信號(hào)控制器高效地執(zhí)行為系統(tǒng)電池充電所需的高精度算法，并在無(wú)功率損耗的情況下為電網(wǎng)提供電力。這就是所說(shuō)的以其最大的功點(diǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。DC/AC 主要橋接的驅(qū)動(dòng)由控制器高度靈活的 PWM 外設(shè)實(shí)現(xiàn)。

　　其他應(yīng)用為 TETRA（陸地集群無(wú)線電）基站

　　數(shù)字電源的最新情況

　　轉(zhuǎn)換器各種容易出錯(cuò)的組件（如：電感、電容以及誤差放大器）的不可預(yù)測(cè)影響可以通過(guò)使用兼顧了大批量生產(chǎn)公差的數(shù)字電源控制器加以補(bǔ)償。

　　將這些數(shù)字特性整合到一起以創(chuàng)建可以滿足當(dāng)今和未來(lái)最復(fù)雜系統(tǒng)苛刻電源要求的電源系統(tǒng)的方法不拘一格。

　　實(shí)際上，TI 曾在 2009 數(shù)字電源論壇上揭開(kāi)其針對(duì) AC 到 DC-DC 負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用的最新解決方案和產(chǎn)品展示的神秘面紗，還展現(xiàn)了大量關(guān)于數(shù)字電源的技術(shù)論文。

　　該控制器使用一種易于使用的 Fusion Digital Power 設(shè)計(jì)人員工具進(jìn)行配置。該工免費(fèi)且可以下載，旨在通過(guò)允許設(shè)計(jì)人員輕松地配置許多電源參數(shù)從而簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，其中包括利用可選的默認(rèn)響應(yīng)進(jìn)行電壓和電流閾值的配置、電源電壓排序、監(jiān)控、軟啟動(dòng)/停止、跟蹤、容限、控制環(huán)路響應(yīng)、相位管理以及風(fēng)扇控制的配置。此外，還針對(duì)要求超高轉(zhuǎn)換效率的應(yīng)用提供了參考設(shè)計(jì)，該參考設(shè)計(jì)使用集成驅(qū)動(dòng)器/MOSFET 技術(shù)。