數(shù)字電源的興起

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷升級,電路板上的元器件運行速度更快、體積更小,而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流;最終系統(tǒng)的功能不斷增加,平均售價卻不斷下降.此外,用戶對電源的故障修復(fù)時間、電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高,電源設(shè)計人員不再滿足于實時監(jiān)控電流、電壓、溫度, 還提出了診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個輸出電壓參數(shù)的要求.這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的.因此,作為電源管理發(fā)展的新思路的數(shù)字電源應(yīng)運而生, 其目標就是將電源轉(zhuǎn)換與電源管理架構(gòu)用數(shù)字方法集成到單芯片中,實現(xiàn)智能、高效的轉(zhuǎn)換與控制及通信。

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

數(shù)字電源的市場規(guī)模和增長率

Darnell Group 最新的一份報告顯示：數(shù)字電源IC市場在未來五年內(nèi)銷售額將一躍達到近 8 億美元�！稊�(shù)字電源新興市場：組件、轉(zhuǎn)換器以及系統(tǒng)級商機》第二版報告調(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。Darnell 預(yù)測該市場銷售額將會從2006年的1.69 億美元增長到2011年的7.96 美元，年均復(fù)合增長率為 36.4%。

Darnell 注意到了影響該市場增長的一些因素：在過去的幾年里，數(shù)字電源管理和控制產(chǎn)品市場取得了長足的發(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，系統(tǒng)廠商正努力尋找數(shù)字控制的優(yōu)勢，并積極推出其自己的解決方案——通常是一些專用解決方案。

Darnell 調(diào)研顯示其他的一些經(jīng)濟因素也將成為推動數(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縮小 30% 并且每 4～8 年成本就會下降一半。 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 倍要花費大約 2～3 年的時間。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

在過去的幾年里，系統(tǒng)設(shè)計人員已經(jīng)開始將電源系統(tǒng)/轉(zhuǎn)換器看成是罪惡之源，因為必須將其考慮到將來要推出產(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)向開關(guān)模式轉(zhuǎn)換的種子。這是一場艱苦的戰(zhàn)斗。但是隨著 PWM 控制器 IC 的不斷發(fā)展以及 MOSFET 增強和封裝技術(shù)的進步，開關(guān)模式電源 (SMPS) 已能夠克服障礙并主導(dǎo)所有電源級別的市場。隨著開關(guān)模式轉(zhuǎn)換對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)品憑借其獨特的屬性占有一席之地。

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

一、模擬模工程師的能力問題，他們設(shè)計了功率級、磁場和控制器，此外還要進行 PCB 布局。現(xiàn)在他需要學(xué)習(xí)數(shù)字硬件與固件知識或擁有一個圍繞數(shù)字電源設(shè)計工作的三人工作小組;

二、成本收益比;

三、我們不應(yīng)忘記完全采用開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器花費了我們 20 來年的時間，現(xiàn)在時機成熟了。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題而模擬解決方案達不到這種效果的應(yīng)用聯(lián)系在一起。

雖然人們進行了許多采用數(shù)字電源的嘗試，但是數(shù)字電源技術(shù)沒有在任何一個將會給電源產(chǎn)業(yè)帶來轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折點的具體應(yīng)用中得到廣泛采用。人們?nèi)匀辉诳紤]是否需要一個推動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，或要求診斷和自動測量記錄傳導(dǎo)的 N+1 型冗余市場。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格來滿足所有系統(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)很難實現(xiàn)甚至是從未實現(xiàn)的突破性特性 。

自 20 世紀 90 年代末以來，真正的數(shù)字電源控制器一直不斷發(fā)展，即真正的數(shù)字信號處理器、微 ASIC 和狀態(tài)機�，F(xiàn)在，他們正處于緊要關(guān)頭，硬件、軟件和設(shè)計工具共同驅(qū)動數(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)會議和巴爾的摩展會上展出的高級設(shè)計工具的可用性消除了人們對編程的畏懼心理，該編程工作困擾著許多經(jīng)驗豐富的模擬電源設(shè)計人員。這些工具所提供的高級 GUI 特性不但不需編程，而且還簡化了電源設(shè)計，這是除成本之外的兩大主要障礙。開發(fā)時間被大大縮短并且效率也變得相當可觀。此外，其還開通了主機 CPU 和電源之間通信線路，從而允許軟件對電源進行動態(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 廠商帶來的固有優(yōu)勢�；�于采用率，一些市場分析師預(yù)測這種新型的技術(shù)將會有一個光明的前景。到 2020 年末，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器將與模擬解決方案勢均力敵。

要求數(shù)字電源控制器的典型應(yīng)用之一太陽能逆變器。

太陽能逆變器是整個太陽能系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組件。它擔負著將 PV 電池的可變 DC 輸出轉(zhuǎn)換成一個清潔的正弦波 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，并在無功率損耗的情況下為電網(wǎng)提供電力。這就是所說的以其最大的功點執(zhí)行系統(tǒng)。DC/AC 主要橋接的驅(qū)動由控制器高度靈活的 PWM 外設(shè)實現(xiàn)。