數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換及管理的數(shù)字控制

　　集成功率級是指同一個集成電路中單一相位的驅(qū)動器及場效應(yīng)管。它比分立解決方案占用更小的空間，因此適合用于500kHz以上空間有限的應(yīng)用。驅(qū)動器比較接近場效應(yīng)管，所以能夠在高頻下高效率工作。只要配合一個合適的控制器，它就可以用于一至多個相位，但一般都沒有替代供貨來源。有關(guān)集成電路通常都根據(jù)特定的輸出電流范圍和占空比而作出優(yōu)化，所以整個解決方案的成本往往高于分立解決方案。

　　這種器件一般都屬于全集成的多芯片模塊或MCM(把控制器、驅(qū)動器及場效應(yīng)管全部裝設(shè)于同一個集成電路中)。雖然它占用的電路板空間最少，但基于封裝的熱能限制，只適用于比較低的功率水平，而且一般都沒有替代供貨來源。封裝的選擇取決于芯片面積、引腳數(shù)量和散熱需要。在大多數(shù)情況下，人們都會忽略了一個情況：原來把控制功能和功率級集成，通常都會造成未能充分善用功率級的現(xiàn)象，結(jié)果只能夠在控制器的最大可用溫度下操作，或由于需要強迫控制器在最大的功率級溫度下操作，而對零件的可靠性打折扣。

　　一個較低的上下熱阻封裝比較適合所有結(jié)構(gòu)的需要，但是零件價格比較高。當(dāng)場效應(yīng)管在更低的溫度下操作，導(dǎo)通狀態(tài)電阻會更低，只需要一個更小巧的場效應(yīng)管就能夠完成工作，或者能夠改善效率、節(jié)省能源，更勝于采用更佳封裝和加入額外散熱設(shè)計需要付出的高昂成本。另一個優(yōu)點是可靠性將大大提高。

　　由于擁有通信及引腳功能分配等額外功能，所以包含了數(shù)字控制器的系統(tǒng)解決方案需要更少的元件和控制器零件。不論在功能組合或封裝選擇方面，數(shù)字結(jié)構(gòu)都比模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)勝。

　　市場分布

　　市場分布方面，消費市場占50%以上，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)則降至45%以下，余下的5%屬于政府用戶。其中消費市場中出現(xiàn)了大量商機(jī)。盡管高端系統(tǒng)開始采用數(shù)字技術(shù) (見圖1)，但生產(chǎn)量和利潤率偏低使市場難以維持。實際上，消費市場中能夠有比較高的產(chǎn)量，仍然是由模擬產(chǎn)品主導(dǎo)，不論是在功率轉(zhuǎn)換或管理領(lǐng)域也是一樣。要推動數(shù)字技術(shù)，必須在高端和低端市場雙管齊下：高端市場著重完善功能及超卓性能，但以低成本為目標(biāo);低端市場以模擬技術(shù)主導(dǎo)的裸機(jī)為重點，但著重更低的成本以吸納市場份額。諷刺的是，最大份額屬于功率及而不是控制器。因此市場預(yù)期，假如能夠把兩者合一，就可以相得益彰，同時提高產(chǎn)品的邊際利潤及營業(yè)額。市場還預(yù)期大量的模擬元件會被更小量可配置的數(shù)字元件所取代。借著“整修”(增/減) 來實現(xiàn)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，將可以帶來更大的優(yōu)勢。

　應(yīng)用

　　市場上有多種不同級別的大批量功率轉(zhuǎn)換器，按每瓦特成本由低至高依次為：直流-直流非隔離3~15W (蜂窩電話、PDA及手持式設(shè)備)、直流-直流非隔離15~250W (負(fù)載點及VRD/VRM) 嵌入式設(shè)備及模塊、高至2000W 的隔離式交流-直流，以及隔離式直流-直流機(jī)板貼裝式功率模塊 (全調(diào)整、半調(diào)整和直流-直流變壓器)。

　　低功率手持式設(shè)備主要采用模擬功率控制及數(shù)字功率管理。

　　數(shù)字功率控制及管理技術(shù)最早是用于高檔電腦及圖像處理領(lǐng)域 (VRM/VRD)，緊接其后的是網(wǎng)絡(luò)通信 (數(shù)據(jù)通信及電信) 及存儲系統(tǒng)。負(fù)載點 (PoL)、嵌入式設(shè)備或模塊及隔離式直流-直流模塊是網(wǎng)絡(luò)通信中首選的解決方案，而存儲系統(tǒng)則同時采用VRDs/VRM及PoL。這些應(yīng)用皆采用數(shù)字硬連接或混合式邏輯結(jié)構(gòu)。不同類型的交流-直流系統(tǒng)采用μC、DSP或DCP控制及功率管理技術(shù)，也有越來越多隔離式直流-交流反相器和隔離升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器加以仿效。

　　不論是哪種應(yīng)用，操作模式的改善都有助于提升低負(fù)載環(huán)境的運作效率。這包括相位的減少、脈沖跳行、更低柵驅(qū)動電壓和更低的開關(guān)頻率。至于在全負(fù)載的環(huán)境下，運作效率的提升則源于更低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (更完善的場效應(yīng)管) 和革命性的拓樸技術(shù)。

　　要為數(shù)字結(jié)構(gòu)創(chuàng)優(yōu)增值，創(chuàng)造更大利潤及提高生產(chǎn)量，企業(yè)必須超越“莫爾定律”。

　　挑戰(zhàn)

　　外來挑戰(zhàn)包括市場慣性的轉(zhuǎn)變，包括工程師和硬件兩方面。硬件的挑戰(zhàn)基于用戶量大但缺乏數(shù)字接口。另外，市場分割使?fàn)I銷人員難以為產(chǎn)品賦予定義，并且要求所有人都采用新技術(shù);而市場對新技術(shù)的抗拒 (例如基于高價錢及“Z系列”的專有通信總線) 或因為害怕IP訴訟而延遲采用都帶來挑戰(zhàn)。與此同時，操作不便的圖像用戶接口、不完整的操作指引文件，都有可能增加客戶及分銷商的操作培訓(xùn)時間。另一方面，現(xiàn)有模擬技術(shù)的競爭相當(dāng)激烈，各家廠商紛紛降價和推出新產(chǎn)品來爭吃市場大餅，甚至制造種種的恐懼、不確定、懷疑現(xiàn)象以吸引用戶。此外，購買量少和低利潤往往對新用戶造成了障礙。

　　內(nèi)部挑戰(zhàn)之多、嚴(yán)重性之高絕對不下于外來挑戰(zhàn)。學(xué)習(xí)時間之長、設(shè)計上的限制，加上檢驗和確認(rèn)程序的資源需求，都拖慢了產(chǎn)品面市的時間，甚至使產(chǎn)品損失市場份額?？膳渲脭?shù)字控制器的設(shè)計檢驗程序理論上是無窮無限的，而檢驗和確認(rèn)方法及工具不足夠，也使問題進(jìn)一步惡化。此外，模擬與數(shù)字工程資源更需要互相協(xié)調(diào)和配合。

　　最后，我們不應(yīng)該忽略另一個重大的挑戰(zhàn)，那就是企業(yè)文化往往影響了采用新技術(shù)的態(tài)度和想法。“我們的產(chǎn)品、資源、時間和市場不足夠”這種觀念絕對不應(yīng)再成為限制因素。