電源系統(tǒng)的數(shù)字化時(shí)代

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)了數(shù)字化，這股浪潮也波及到以模擬技術(shù)為主導(dǎo)的電源系統(tǒng)領(lǐng)域，“數(shù)字電源”開(kāi) 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(gè)新的競(jìng)技場(chǎng)。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(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)也對(duì)數(shù)字電源的前景表示樂(lè)觀，據(jù)Darnell的數(shù)據(jù)顯示，2006年全球數(shù)字電源芯 片市場(chǎng)為1.69億美元，預(yù)計(jì)2010年將達(dá)到7.96億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為36.4%。

對(duì)于數(shù)字電源這個(gè)“新生”事物，業(yè)界不僅有熱情的掌聲，同時(shí)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(yíng)的擁戴者認(rèn)為，與數(shù)字方案相比，模擬設(shè)計(jì)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?shù)h相對(duì)，很多情況下二者甚至是互補(bǔ)的。在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)依然存在，而數(shù)字技術(shù)的價(jià)值也會(huì)根據(jù)不同的 電源應(yīng)用而有所差異，例如，簡(jiǎn)單的可通過(guò)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(dòng)態(tài)工作模式提高電源可靠 性及效率。

通過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短、恰當(dāng)結(jié)合這兩種核心技術(shù)，電源解決方案會(huì)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(zhǎng)期共存。”美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場(chǎng) 總監(jiān)黃漢基也指出：“未來(lái)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(huì)在市場(chǎng)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(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品可能更具優(yōu)勢(shì);而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反 應(yīng)速度更快、需要多個(gè)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(shì)。例如數(shù)據(jù)(服務(wù)器、存儲(chǔ)和UPS)、通信(3G基站、路由 器)、高端工業(yè)設(shè)備、測(cè)試測(cè)量設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等。

圖1：數(shù)字、模擬各有優(yōu)勢(shì)，或許混合信號(hào)電源方案是最佳選擇

在發(fā)展初期，數(shù)字電源方案難以達(dá)到模擬設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)，數(shù)字電源技術(shù)將會(huì)成為一種重要的工具，幫助系統(tǒng) 設(shè)計(jì)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(gè)趨勢(shì)，不過(guò)并非所有的電源技術(shù)都會(huì)向這種趨勢(shì)發(fā)展。”Microchip公司安全、微控制器 和技術(shù)開(kāi)發(fā)部產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Fanie Duvenhage表示，電源市場(chǎng)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(lái)的數(shù)字電源將包括某種形式的數(shù)字控制，同時(shí)也包 括模擬模塊。”Duvenhage指出。

對(duì)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(duì)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(shì)。不過(guò)，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(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(xiāo)副總裁Jim MacDonald也指出，模擬電源器件仍將是電源管理市場(chǎng)的重要部分。

目前在整個(gè)市場(chǎng)中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例還很小，不過(guò)，隨著越來(lái)越多的系統(tǒng)開(kāi)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(jì)的新趨勢(shì)。 Intersil的Miller認(rèn)為，模擬與數(shù)字電源解決方案會(huì)跨越不同領(lǐng)域共存，但數(shù)字電源方案會(huì)逐步普及并拿走模擬方案的市場(chǎng)份額，數(shù)字電源最終會(huì)成 為電源市場(chǎng)的重要區(qū)域。

模擬技術(shù)+DSP/MCU成為主要趨勢(shì)，應(yīng)用方案向消費(fèi)領(lǐng)域滲透

更高集成度、更快瞬時(shí)響應(yīng)以及更大靈活性是數(shù)字電源的主要優(yōu)勢(shì)。通常情況下，模擬PWM架構(gòu)能夠提供較高分辨率，但無(wú)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(duì)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(shì)，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(wú)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(zhǎng)的軟件學(xué)習(xí)過(guò)程。相對(duì)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(shí)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(duì)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(shì)，開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新的混合信號(hào)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(guó)國(guó)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(jià)值。“內(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(huì)被電源供應(yīng)系統(tǒng)廣泛采用。”該公司 亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)黃漢基指出。

目前大多數(shù)數(shù)字電源方案在價(jià)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(guò)，這種價(jià)格差距正在逐漸縮小。”Intersil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(duì)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。”

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(kāi)始應(yīng)用在移動(dòng)通信設(shè)備、白色家電、車(chē)載設(shè)備、便攜式娛樂(lè)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(duì)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。“隨著工藝的改進(jìn)和技術(shù)演進(jìn)，未來(lái)我們會(huì)把數(shù)字電源 產(chǎn)品推向消費(fèi)電子領(lǐng)域。”Zilker Labs公司的MacDonald表示。

設(shè)計(jì)人員面臨數(shù)字化挑戰(zhàn), 應(yīng)用普及尚待時(shí)日

數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計(jì)開(kāi)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(jià)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(wèn)題。通信總線與接口的標(biāo)準(zhǔn)化、可編程平臺(tái)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。“數(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(jià)格很低并能增強(qiáng)(或簡(jiǎn)化)一些基礎(chǔ)電源的模擬設(shè)計(jì)。”Microchip 公司產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Duvenhage介紹。

第三個(gè)主要挑戰(zhàn)是軟件設(shè)計(jì)。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(jì)人員帶來(lái)的挑戰(zhàn)是需要學(xué)習(xí)新的電源設(shè)計(jì)方法?；贒SP和處理器的數(shù)字電源IC迫使電 源設(shè)計(jì)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(shì)而必須克服的巨大障礙。針對(duì)這種情況，Zilker Labs開(kāi)發(fā)出Digital-DC產(chǎn)品，“這些產(chǎn)品使電源設(shè)計(jì)人員能夠按照他們過(guò)去的方式配置電源IC，并提供可利用簡(jiǎn)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(shì)。”MacDonald表示。

此外，TI也正在采取一些措施來(lái)降低數(shù)字電源設(shè)計(jì)門(mén)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(jì)人員開(kāi)發(fā)數(shù)字電源解決方案，并專門(mén)開(kāi)設(shè)了一個(gè)數(shù)字電源的網(wǎng)頁(yè)，為工程師提供參考設(shè)計(jì)，其中包括軟件和硬件，以縮短數(shù)字電源產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

“大多數(shù)對(duì)數(shù)字電源感興趣的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的完好狀況。 ”Maxim的Ashrafzadeh說(shuō)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(xiě)軟件 /固件的知識(shí)，任何工程師可以使用這個(gè)GUI軟件和MAX8688芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字可編程電源。這對(duì)于不愿意放棄以往設(shè)計(jì)而冒險(xiǎn)設(shè)計(jì)全新架構(gòu)的工程師和 系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，帶來(lái)極大的便利。

不過(guò)，Microchip公司的Duvenhage認(rèn)為，盡管有很多GUI可作為設(shè)計(jì)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(jì)的內(nèi)部構(gòu)件。為此Microchip網(wǎng)站開(kāi)辦一個(gè)新的電源中心來(lái)為使用數(shù)字以及模擬回路的模擬電源設(shè)計(jì)者提供幫助。Intersil公司 的Miller也表示，Intersil將開(kāi)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(jì)人員提供便利條件。

電源設(shè)計(jì)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(jì)人員無(wú)需學(xué)習(xí)新的編程語(yǔ)言或放棄先前已習(xí) 慣的相同性能及可靠性。對(duì)此，iWatt公司行銷(xiāo)副總裁Doyle Slack表示：“我們的產(chǎn)品集成了數(shù)字控制算法，無(wú)需控制器編程，因而對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不會(huì)造成困難。”而TI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(guò)程中，初期該技術(shù)會(huì)首先應(yīng)用于一些高端市場(chǎng)當(dāng)中，當(dāng)工程師對(duì)這項(xiàng)技術(shù)逐步熟悉之后，就會(huì)將其更 多地用于消費(fèi)類產(chǎn)品中。在開(kāi)發(fā)具有更高性能的新設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)遇到與目前高端應(yīng)用相似的電源管理問(wèn)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。