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電源系統(tǒng)的數(shù)字化時代到來了嗎?

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作者:胡萍 時間:2007-10-12 來源:國際電子商情 收藏

  目前音頻、視頻、影像、通信、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域都逐步實(shí)現(xiàn)了化,這股浪潮也波及到以技術(shù)為主導(dǎo)的系統(tǒng)領(lǐng)域,“”開始受到業(yè)界關(guān)注,一些老牌半導(dǎo)體廠商以及新興的IC供應(yīng)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產(chǎn)品。此外,一些市場調(diào)研機(jī)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(yù)計2010年將達(dá)到7.96億美元,年復(fù)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?陣營的擁戴者認(rèn)為,與數(shù)字方案相比,設(shè)計的成本更低,現(xiàn)代的模擬實(shí)現(xiàn)方法實(shí)際上表現(xiàn)更為出色。

  事實(shí)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(bǔ)的。在電源設(shè)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(yīng)用而有所差異,例如,簡單的可通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(如PMBus)實(shí)現(xiàn)控制與配置;復(fù)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(bǔ)短、恰當(dāng)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(yán)宗福就表示:“借助數(shù)字電源解決方案,TI擴(kuò)展了電源管理產(chǎn)品系列。我們認(rèn)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?!泵绹鴩野雽?dǎo)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(yīng)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(shí)時反應(yīng)速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的復(fù)雜高性能系統(tǒng)應(yīng)用中,數(shù)字電源則具有更大的優(yōu)勢。例如數(shù)據(jù)(服務(wù)器、存儲和UPS)、通信(3G基站、路由器)、高端工業(yè)設(shè)備、測試測量設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等。

  在發(fā)展初期,數(shù)字電源方案難以達(dá)到模擬設(shè)計的高效率,而現(xiàn)在已有一些數(shù)字方案能夠達(dá)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(dāng)電子系統(tǒng)日益復(fù)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(shè)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?!盌uvenhage指出。

  對此,Maxim公司業(yè)務(wù)經(jīng)理Ahmad Ashrafzadeh也有同感,他認(rèn)為,數(shù)字電源不可能在所有應(yīng)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(yīng)用都必須具備的,而且對于一些成本敏感的應(yīng)用或特殊的消費(fèi)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(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器等要求可靠監(jiān)控的產(chǎn)品及基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)備。

  Intersil 公司應(yīng)用工程總監(jiān)Greg Miller也認(rèn)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?!霸跀?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(rèn)為模擬控制能實(shí)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(shè)計的新趨勢。Intersil的Miller 認(rèn)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(yīng)用方案向消費(fèi)領(lǐng)域滲透

  更高集成度、更快瞬時響應(yīng)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(shí)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(fù)雜控制功能;而對于數(shù)字PWM,為了達(dá)到與模擬控制架構(gòu)同等的性能指標(biāo)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(rèn)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(diǎn)。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(xué)習(xí)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(fù)雜的電源需求、實(shí)時反應(yīng)速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。當(dāng)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(shí)際上,在UPS、逆變電源和馬達(dá)控制等領(lǐng)域,很早就有采用通用DSP進(jìn)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(yīng)用進(jìn)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(kuò)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(dá)到了模擬電源解決方案的高效率。

  此外,美國國家半導(dǎo)體的幾款電源管理芯片如LM3370、LP3957及PowerWise電源管理單元LP5550也都將適當(dāng)比例的模擬及數(shù)字電路集成一起,以幫助客戶提高產(chǎn)品價值?!皟?nèi)建高效能數(shù)字控制電路的高集成度模擬電源管理芯片將會被電源供應(yīng)系統(tǒng)廣泛采用?!痹摴緛喬珔^(qū)電源管理產(chǎn)品市場總監(jiān)黃漢基指出。

  目前大多數(shù)數(shù)字電源方案在價格方面略高于模擬方案,因而現(xiàn)階段數(shù)字電源被認(rèn)為更適合于高端系統(tǒng),而且高端系統(tǒng)能夠更好地利用數(shù)字電源的特性。“不過,這種價格差距正在逐漸縮小?!盜ntersil公司的Miller表示,在一些需要電源管理的應(yīng)用中,數(shù)字電源解決方案的成本并不高于傳統(tǒng)模擬解決方案。

  Zilker Labs公司的MacDonald也認(rèn)為:“數(shù)字電源解決方案所需的元件遠(yuǎn)少于模擬解決方案,它免除了對電壓邊限與監(jiān)控元件、排序/跟蹤 IC 或溫度傳感器的需要。因此與全模擬解決方案相比,數(shù)字電源解決方案的體積更小、成本更低?!?/P>

  高集成度和靈活性是數(shù)字電源的主要特點(diǎn),為滿足復(fù)雜的電源系統(tǒng)需求,數(shù)字電源已經(jīng)開始應(yīng)用在移動通信設(shè)備、白色家電、車載設(shè)備、便攜式娛樂設(shè)備等系統(tǒng)中。如果方案成本能夠進(jìn)一步下降,那么對于其他消費(fèi)電子領(lǐng)域,數(shù)字電源同樣具有應(yīng)用潛力?!半S著工藝的改進(jìn)和技術(shù)演進(jìn),未來我們會把數(shù)字電源產(chǎn)品推向消費(fèi)電子領(lǐng)域?!盳ilker Labs公司的MacDonald表示。

  設(shè)計人員面臨數(shù)字化挑戰(zhàn), 應(yīng)用普及尚待時日

  數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計開辟了新的技術(shù)領(lǐng)域。軟件、工具、電源通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化以及控制器解決方案的性價比等都將影響數(shù)字電源技術(shù)的推廣速度。具體而言,目前數(shù)字電源的應(yīng)用普及還存在以下挑戰(zhàn)。

  首先是標(biāo)準(zhǔn)化問題。通信總線與接口的標(biāo)準(zhǔn)化、可編程平臺的標(biāo)準(zhǔn)化、以及內(nèi)核與周邊器件協(xié)議管理的標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)字電源管理實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用的主要挑戰(zhàn)之一。

  其次,認(rèn)為數(shù)字電源需要高端DSP才能實(shí)現(xiàn)的這種看法也阻礙了數(shù)字控制技術(shù)在電源領(lǐng)域的發(fā)展?!皵?shù)字電源方案不僅僅適于高端和復(fù)雜的應(yīng)用,小型的微控制器,例如Microchip的PIC10F系列,價格很低并能增強(qiáng)(或簡化)一些基礎(chǔ)電源的模擬設(shè)計?!盡icrochip公司產(chǎn)品行銷經(jīng)理 Duvenhage介紹。

  第三個主要挑戰(zhàn)是軟件設(shè)計。Zilker Labs公司的MacDonald認(rèn)為,數(shù)字電源技術(shù)給電源系統(tǒng)設(shè)計人員帶來的挑戰(zhàn)是需要學(xué)習(xí)新的電源設(shè)計方法?;贒SP和處理器的數(shù)字電源IC迫使電源設(shè)計人員不得不學(xué)習(xí)新的軟件技術(shù),從而產(chǎn)生了為采用數(shù)字電源控制優(yōu)勢而必須克服的巨大障礙。針對這種情況,Zilker Labs開發(fā)出Digital-DC產(chǎn)品,“這些產(chǎn)品使電源設(shè)計人員能夠按照他們過去的方式配置電源IC,并提供可利用簡單圖形用戶接口(GUI)輕松修改任何預(yù)配置設(shè)置的方式,因此能使他們利用數(shù)字電源控制的所有優(yōu)勢?!盡acDonald表示。

  此外,TI也正在采取一些措施來降低數(shù)字電源設(shè)計門檻,TI數(shù)字產(chǎn)品還將配套提供用戶友好型固件與GUI,以幫助設(shè)計人員開發(fā)數(shù)字電源解決方案,并專門開設(shè)了一個數(shù)字電源的網(wǎng)頁,為工程師提供參考設(shè)計,其中包括軟件和硬件,以縮短數(shù)字電源產(chǎn)品的開發(fā)周期。

  “大多數(shù)對數(shù)字電源感興趣的設(shè)計者期待的是控制輸出電壓的能力;跟蹤、定序以及獲取元件的反饋;用這些診斷功能跟蹤整個系統(tǒng)的完好狀況?!盡axim的 Ashrafzadeh說道。為此,Maxim提供免費(fèi)GUI,用于控制MAX8688。不需要數(shù)字控制理論或者如何編寫軟件/固件的知識,任何工程師可以使用這個GUI軟件和MAX8688芯片來實(shí)現(xiàn)一個數(shù)字可編程電源。這對于不愿意放棄以往設(shè)計而冒險設(shè)計全新架構(gòu)的工程師和系統(tǒng)設(shè)計師來說,帶來極大的便利。

  不過,Microchip公司的Duvenhage認(rèn)為,盡管有很多GUI可作為設(shè)計基礎(chǔ),但重要的是工程師要學(xué)習(xí)微控制器的基本操作,以確保能夠理解和調(diào)試數(shù)字設(shè)計的內(nèi)部構(gòu)件。為此Microchip網(wǎng)站開辦一個新的電源中心來為使用數(shù)字以及模擬回路的模擬電源設(shè)計者提供幫助。 Intersil公司的Miller也表示,Intersil將開發(fā)出易用的軟件GUI以及各種帶有PMBus接口的PWM控制IC,這些產(chǎn)品都帶有傳統(tǒng)的模擬控制回路和全數(shù)字回路,為設(shè)計人員提供便利條件。

  電源設(shè)計人員希望數(shù)字電源技術(shù)能提供靈活性極高的電源控制IC,這種IC可輕松配置,適于多種應(yīng)用,而且設(shè)計人員無需學(xué)習(xí)新的編程語言或放棄先前已習(xí)慣的相同性能及可靠性。對此,iWatt公司行銷副總裁Doyle Slack表示:“我們的產(chǎn)品集成了數(shù)字控制算法,無需控制器編程,因而對于電源系統(tǒng)設(shè)計人員不會造成困難?!倍鳷I也推出不需軟件編程的負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字電源控制器,其負(fù)載點(diǎn)數(shù)字電源管理功能支持電信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

  和其他新興技術(shù)的發(fā)展軌跡相似,在數(shù)字電源技術(shù)的普及過程中,初期該技術(shù)會首先應(yīng)用于一些高端市場當(dāng)中,當(dāng)工程師對這項(xiàng)技術(shù)逐步熟悉之后,就會將其更多地用于消費(fèi)類產(chǎn)品中。在開發(fā)具有更高性能的新設(shè)備時,設(shè)計人員會遇到與目前高端應(yīng)用相似的電源管理問題,隨著系統(tǒng)愈加復(fù)雜,數(shù)字電源也將得到更加廣泛的應(yīng)用。



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