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          電源系統的數字化時代到來了嗎?

          2015-07-01

          目前音頻、視頻、影像、通信、網絡等領域都逐步實現了數字化,這股浪潮也波及到以模擬技術為主導的電源系統領域,“數字電源”開始受到業界關注,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字電源產品。此外,一些市場調研機構也對數字電源的前景表示樂觀,據Darnell的數據顯示,2006年全球數字電源芯片市場為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%。


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

          事實上,數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,模擬技術的優勢依然存在,而數字技術的價值也會根據不同的電源應用而有所差異,例如,簡單的可通過業界標準協議(如PMBus)實現控制與配置;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化、豐富。TI公司亞太區電源產品技術總監嚴宗福就表示:“借助數字電源解決方案,TI擴展了電源管理產品系列。我們認為模擬與數字電源管理解決方案將在今后多年內長期共存?!泵绹鴩野雽w亞太區電源管理產品市場總監黃漢基也指出:“未來幾年內模擬控制與數字控制這兩種不同的技術將會在市場上各據一方?!?/span>


          數字電源vs.模擬電源


          數字電源與模擬電源的區別主要集中在控制與通信部分。在簡單易用、參數變更要求不多的應用場合,模擬電源產品可能更具優勢;而在可控因素較多、實時反應速度更快、需要多個模擬系統電源管理的復雜高性能系統應用中,數字電源則具有更大的優勢。例如數據(服務器、存儲和UPS)、通信(3G基站、路由器)、高端工業設備、測試測量設備、醫療設備等。



          圖1:數字、模擬各有優勢,或許混合信號電源方案是最佳選擇

          在發展初期,數字電源方案難以達到模擬設計的高效率,而現在已有一些數字方案能夠達到甚至超越模擬方案的效率,并且易于使用。數字電源技術采用智能方法優化系統效率,數字控制提供了無需額外電路便可管理及監控系統內所有電源的能力。當電子系統日益復雜時,數字電源技術將會成為一種重要的工具,幫助系統設計人員優化系統性能。

          “在電源領域,數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展?!盡icrochip公司安全、微控制器和技術開發部產品行銷經理Fanie Duvenhage表示,電源市場具有多樣性,解決方案也各有不同,數字電源也不例外?!拔磥淼臄底蛛娫磳撤N形式的數字控制,同時也包括模擬模塊?!盌uvenhage指出。

          對此,Maxim公司業務經理Ahmad Ashrafzadeh也有同感,他認為,數字電源不可能在所有應用領域替代模擬電源,數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品,這些性能可能還是多余的。目前數字電源最適于服務器、網絡交換機、路由器等要求可靠監控的產品及基礎架構設備。

          Intersil公司應用工程總監Greg Miller也認為數字電源管理是通信/工業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字控制理論?!霸跀底諭C與電源管理IC的接口部分采用數字電路能提升效率,但是在電源管理IC內部我們不贊成采用數字控制,我們認為模擬控制能實現更小的芯片尺寸和功耗?!盡iller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字電源技術所占的比例還很小,不過,隨著越來越多的系統開發商采用這種技術,數字技術似乎正在成為電源系統設計的新趨勢。Intersil的Miller認為,模擬與數字電源解決方案會跨越不同領域共存,但數字電源方案會逐步普及并拿走模擬方案的市場份額,數字電源最終會成為電源市場的重要區域。


          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字電源的主要優勢。通常情況下,模擬PWM架構能夠提供較高分辨率,但無法實現數字控制架構所具備的輸出電壓監視、通信及其它復雜控制功能;而對于數字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,數字控制架構的成本將大幅增加。綜合考慮兩者優勢,Maxim公司的Ashrafzadeh認為,最佳方案是將模擬PWM與數字電路相結合,在不犧牲模擬控制所具備的精度和無限分辨率的情況下,提供數字控制所具有的全部性能。

          在數字控制器方面,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、電源穩壓性能更好。當前,TI、飛思卡爾、Silicon Labs的數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化。例如,TI的數字電源解決方案Fusion Digital Power中用于AC/DC電源的UCD9501,就是源于其DSP產品TMS320。除了提供DSP控制的數字電源IC,TI還有MCU控制的數字電源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字電源解決方案的高靈活性、可擴展和高度可控制的優勢,開發出創新的混合信號電源技術。該公司推出的第一款品牌產品ZL2005,就使數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字電路集成一起,以幫助客戶提高產品價值?!皟冉ǜ咝軘底挚刂齐娐返母呒啥饶M電源管理芯片將會被電源供應系統廣泛采用?!痹摴緛喬珔^電源管理產品市場總監黃漢基指出。


          目前大多數數字電源方案在價格方面略高于模擬方案,因而現階段數字電源被認為更適合于高端系統,而且高端系統能夠更好地利用數字電源的特性?!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,數字電源解決方案的成本并不高于傳統模擬解決方案。


          Zilker Labs公司的MacDonald也認為:“數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,數字電源解決方案的體積更小、成本更低?!?/span>


          高集成度和靈活性是數字電源的主要特點,為滿足復雜的電源系統需求,數字電源已經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,數字電源同樣具有應用潛力?!半S著工藝的改進和技術演進,未來我們會把數字電源產品推向消費電子領域?!盳ilker Labs公司的MacDonald表示。


          設計人員面臨數字化挑戰, 應用普及尚待時日


          數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字電源技術的推廣速度。具體而言,目前數字電源的應用普及還存在以下挑戰。


          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、以及內核與周邊器件協議管理的標準化是數字電源管理實現規模商用的主要挑戰之一。


          其次,認為數字電源需要高端DSP才能實現的這種看法也阻礙了數字控制技術在電源領域的發展?!皵底蛛娫捶桨覆粌H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公司產品行銷經理Duvenhage介紹。


          第三個主要挑戰是軟件設計。Zilker Labs公司的MacDonald認為,數字電源技術給電源系統設計人員帶來的挑戰是需要學習新的電源設計方法?;贒SP和處理器的數字電源IC迫使電源設計人員不得不學習新的軟件技術,從而產生了為采用數字電源控制優勢而必須克服的巨大障礙。針對這種情況,Zilker Labs開發出Digital-DC產品,“這些產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字電源控制的所有優勢?!盡acDonald表示。


          此外,TI也正在采取一些措施來降低數字電源設計門檻,TI數字產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數字電源解決方案,并專門開設了一個數字電源的網頁,為工程師提供參考設計,其中包括軟件和硬件,以縮短數字電源產品的開發周期。


          “大多數對數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的完好狀況?!盡axim的Ashrafzadeh說道。為此,Maxim提供免費GUI,用于控制MAX8688。不需要數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芯片來實現一個數字可編程電源。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試數字設計的內部構件。為此Microchip網站開辦一個新的電源中心來為使用數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將開發出易用的軟件GUI以及各種帶有PMBus接口的PWM控制IC,這些產品都帶有傳統的模擬控制回路和全數字回路,為設計人員提供便利條件。


          電源設計人員希望數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:“我們的產品集成了數字控制算法,無需控制器編程,因而對于電源系統設計人員不會造成困難?!倍鳷I也推出不需軟件編程的負載點系統數字電源控制器,其負載點數字電源管理功能支持電信和數據業務的應用。


          和其他新興技術的發展軌跡相似,在數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品中。在開發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,隨著系統愈加復雜,數字電源也將得到更加廣泛的應用。


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