電源系統(tǒng)的數(shù)字化時代到來了嗎

    目前音頻、視頻、影像、通信、網(wǎng)絡等領域都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，這股浪潮也波及到以模擬技術為主導的電源系統(tǒng)領域，“數(shù)字電源”開始受到業(yè)界關注，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。在電源設計領域，模擬技術的優(yōu)勢依然存在，而數(shù)字技術的價值也會根據(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，采用結構化的動態(tài)工作模式提高電源可靠性及效率。 

    通過取長補短、恰當結合這兩種核心技術，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?！泵绹鴩野雽w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。 

    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。 

    “在電源領域，數(shù)字集成顯然是個趨勢，不過并非所有的電源技術都會向這種趨勢發(fā)展?！盡icrochip公司安全、微控制器和技術開發(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)領域最重要的電源技術趨勢。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，數(shù)字技術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+DSP/MCU成為主要趨勢，應用方案向消費領域滲透 

    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架構能夠提供較高分辨率，但無法實現(xiàn)數(shù)字控制架構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相比，數(shù)字控制架構的成本將大幅增加。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與DSP相結合的策略。 

    實際上，在UPS、逆變電源和馬達控制等領域，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。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。 

    此外，美國國家半導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?！安贿^，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也認為：“數(shù)字電源解決方案所需的元件遠少于模擬解決方案，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?！?nbsp;

    高集成度和靈活性是數(shù)字電源的主要特點，為滿足復雜的電源系統(tǒng)需求，數(shù)字電源已經(jīng)開始應用在移動通信設備、白色家電、車載設備、便攜式娛樂設備等系統(tǒng)中。如果方案成本能夠進一步下降，那么對于其他消費電子領域，數(shù)字電源同樣具有應用潛力。“隨著工藝的改進和技術演進，未來我們會把數(shù)字電源產(chǎn)品推向消費電子領域。”Zilker Labs公司的MacDonald表示。

    設計人員面臨數(shù)字化挑戰(zhàn)，應用普及尚待時日 

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

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

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

    第三個主要挑戰(zhàn)是軟件設計。Zilker Labs公司的MacDonald認為，數(shù)字電源技術給電源系統(tǒng)設計人員帶來的挑戰(zhàn)是需要學習新的電源設計方法?；贒SP和處理器的數(shù)字電源IC迫使電源設計人員不得不學習新的軟件技術，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)輕松修改任何預配置設置的方式，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，以幫助設計人員開發(fā)數(shù)字電源解決方案，并專門開設了一個數(shù)字電源的網(wǎng)頁，為工程師提供參考設計，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。”Maxim的 Ashrafzadeh說道。為此，Maxim提供免費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芯片來實現(xiàn)一個數(shù)字可編程電源。這對于不愿意放棄以往設計而冒險設計全新架構的工程師和系統(tǒng)設計師來說，帶來極大的便利。 

    不過，Microchip公司的Duvenhage認為，盡管有很多GUI可作為設計基礎，但重要的是工程師要學習微控制器的基本操作，以確保能夠理解和調(diào)試數(shù)字設計的內(nèi)部構件。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，為設計人員提供便利條件。 

    電源設計人員希望數(shù)字電源技術能提供靈活性極高的電源控制IC，這種IC可輕松配置，適于多種應用，而且設計人員無需學習新的編程語言或放棄先前已習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)設計人員不會造成困難。”而TI也推出不需軟件編程的負載點系統(tǒng)數(shù)字電源控制器，其負載點數(shù)字電源管理功能支持電信和數(shù)據(jù)業(yè)務的應用。 

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