數(shù)字電源開啟電源管理新領地

　　編者按：數(shù)字電源是近期電源管理領域廣為關注并頗具爭議的話題。IC領域的知名廠商就數(shù)字電源的熱點話題展開探討，包括數(shù)字電源的定義、特點、優(yōu)勢劣勢、未來前景及廠商方案等幾個方面，TI、Silicon Labs與Linear的觀點代表了兩種不同的聲音。
 


 
 
 
        



　　數(shù)字電源：DSP與模擬技術的新結合點
　　TI公司中國區(qū)模擬產(chǎn)品銷售總監(jiān)王劍:
　　電源系統(tǒng)設計人員面臨的壓力日益增大，必須應對管理更復雜的電源要求，如針對更廣泛的負載、更低的輸出電壓以及多種電源同步進行管理，實現(xiàn)更高的效率。數(shù)字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能夠滿足任何復雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可通過遠程診斷確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，包括故障管理、過電流保護以及避免停機等。
　　數(shù)字電源有什么好處？它首先是可編程的，比如通訊、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實現(xiàn)。另外，數(shù)字電源具有高性能和高可靠性，非常靈活，成本也比較低。AC-DC等一些大功率電源有兩個發(fā)展趨勢，一個是往模塊電源發(fā)展，一個是實現(xiàn)智能電源控制。
　　TI認識到在電源中模擬與數(shù)字組件優(yōu)化組合的必要性，推出數(shù)字電源的系列新產(chǎn)品Fusion Digital Power解決方案，包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列輔助器件。
　　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。UCD9K無論是控制還是通信接口都是采用數(shù)字方式，可以說是帶有閃存的DSP，采用的是0.18微米工藝；UCD7K與UCD8K的核心部分都采用模擬電源的方式，外圍接口則采用數(shù)字方式，工藝為傳統(tǒng)的模數(shù)混合工藝，即高壓BiCMOS工藝。三種器件的應用領域包括從AC線路到負載點應用的電源系統(tǒng)，如電信設施、不間斷電源、計算機服務器以及數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)。
　　數(shù)字電源會對模擬電源有多大的沖擊？在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的的應用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，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、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。
　　數(shù)字電源是TI不斷壯大的高性能產(chǎn)品線中具有戰(zhàn)略意義的一部分。除了提供DSP控制的數(shù)字電源IC，TI還具有MCU控制的數(shù)字電源IC。相對來講，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。目前市場已經(jīng)開始有應用，未來數(shù)字電源將會有更快發(fā)展。
　　產(chǎn)品鏈接
　　Fusion Digital Power系列的3種產(chǎn)品既能相互匹配使用，又可以根據(jù)應用復雜程度、響應速度的不同單獨使用。其中，UCD9K作為數(shù)字電源控制器，核心采用28x系列DSP，可關閉多個環(huán)路，同時控制3路或4路PMW，具有150ps數(shù)字PWM分辨率。它還提供數(shù)字通信與監(jiān)控功能，有助于實現(xiàn)復雜的電源轉換，包括多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等(這些功能在完全模擬的應用中都難以實現(xiàn))。UCD8K是數(shù)字電源PWM控制器，采用集成式、數(shù)字化控制的模擬PWM與驅動器；UCD7K是數(shù)字電源驅動器，將數(shù)字控制器與功率級相連。3種產(chǎn)品的電壓輸出都是可調的。軟件與外設的可擴展性及重復使用性使器件可以通過改變操作參數(shù)來優(yōu)化特定的電源系統(tǒng)。此外，還有各種開發(fā)支持工具，如TI的DSP Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境和全面的數(shù)字電源管理應用參照設計，也支持集成數(shù)字電源產(chǎn)品。
　　數(shù)字電源難以擺脫模擬電路
　　Linear電源產(chǎn)品部總經(jīng)理Steve Pietkiewicz:
　　當前，數(shù)字電源已成為業(yè)界討論熱點，一些新成立的公司和已經(jīng)取得牢固地位的 

半導體廠商都聲稱數(shù)字電源比模擬為主的產(chǎn)品更勝一籌。他們稱，新的數(shù)字電源具有更高的性能和更低的成本，將取代老式的、早已過時的模擬開關穩(wěn)壓器；人們將采用通用的數(shù)字CMOS工藝技術，而不再需要專有的模擬工藝技術，同時還將極大地降低成本。電源管理方式即將發(fā)生變化：要么數(shù)字化；要么請走開，別再擋路。
　　“數(shù)字電源”或“數(shù)字控制電源”有幾種不同的含意。
　　最簡單的定義是通過數(shù)字接口控制開關穩(wěn)壓器，這可能包括通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、開關頻率或多通道電源的排序，啟動、裕度控制、加電和斷電排序等等都可以通過一個或多個數(shù)字信號控制。實際上，目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作：通過數(shù)字接口控制模擬開關穩(wěn)壓器。
　　第二個是給前面定義加上所謂的“數(shù)字遙測”。在這種情況下，提供額外的控制功能以監(jiān)視開關電源的狀態(tài)，如溫度、輸出電流、輸入電流、輸入電壓、輸出電壓等，并根據(jù)需求或周期性地向主機報告。ID標記、故障狀態(tài)信息甚至時間標記事件等其他信息也可以存儲在片上非易失性存儲器中，并在將來某個時間報告這些信息，具有大量數(shù)字集成電路的高端系統(tǒng)是這類數(shù)字電源的目標市場，而較低成本的消費類產(chǎn)品可能不需要這樣的信息。
　　第三個也是最野心勃勃的數(shù)字電源含意是，用數(shù)字電路徹底取代開關穩(wěn)壓器中的所有模擬電路。據(jù)說這樣將使開關穩(wěn)壓器更容易設計、配置、穩(wěn)定、調節(jié)和銷售。更進一步的理由是，通過編寫幾行簡單的代碼，一個核心數(shù)字電源集成電路就可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器。正是數(shù)字電源的這個含意最讓我難以理解，因為從根本上來說，電源是模擬的。甚至用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調制器的數(shù)字開關穩(wěn)壓器也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和開關或FET驅動器。此外，電感器或變壓器和電容器在實現(xiàn)數(shù)字電源時也是不能沒有的。
　　在單片DC/DC轉換器中，開關設計總是會歸結為一個真實世界的模擬問題。開關設計是所有開關穩(wěn)壓器電源供應商都必須具有的一種基本核心的能力，甚至控制器產(chǎn)品也有MOSFET驅動器，它們也受到相同的限制。當采用相對簡單、沒有幾道掩模工序的工藝技術時，模擬控制電路采用相同的晶體管是設計和制造開關穩(wěn)壓器的最簡單方式，今天更先進的工藝技術可以集成高壓器件以及為數(shù)字處理而優(yōu)化的高密度低壓器件，但是這樣的工藝需要更多的掩模，因此成本更高。
　　像生活中的大多數(shù)選擇一樣，數(shù)字電源的選擇最終也歸結為經(jīng)濟問題。為什么不采用簡單的工藝技術，只為整個開關提供高壓器件？如果不必采用既能制造高壓器件又能制造高密度亞微米邏輯器件的工藝技術，那么為什么非要采用這樣的技術來增加自己的負擔？當可以采用13個掩模的工藝流程時，為什么要使用30個掩模的工藝流程？為什么用3萬門的DSP代替30個晶體管的誤差放大器？采用更復雜的工藝技術制造高密度邏輯器件和高壓器件，對客戶有什么幫助？可重編程性被認為是數(shù)字電源的一個特點，但是大多數(shù)客戶都是購買特定的集成電路來實現(xiàn)特定的功能。
　　另外，每年有幾百萬個DC/DC轉換器集成電路賣到多種多樣的市場中，僅單片DC/DC集成電路的功率就覆蓋了從毫瓦到數(shù)百瓦的范圍，多家廠商提供幾千種集成電路供客戶選擇，領域覆蓋移動電話、汽車、LCD TV、基站、大型服務器及路由器的多個市場。這些市場的需求千變萬化，盡管每個市場上的每個客戶都希望解決方案能解決問題，但是他們很少關心集成電路是怎么完成這種任務。
　　數(shù)字控制器：進入電源市場的敲門磚
　　Silicon Labs公司市場經(jīng)理Brett Etter:
　　越來越多的廠商需要能夠提供更大集成度、更高效率、更快瞬時響應和更強大可編程能力的彈性控制解決方案。數(shù)字化電源控制具備上述所有優(yōu)點以及更高的系統(tǒng)可靠性、更強大的元器件誤差和溫度變動耐受能力、更短的研發(fā)時間以及固有的成本優(yōu)勢，適用于服務器、有線/無線數(shù)據(jù)通訊和電信系統(tǒng)、 

液晶和電漿電視以及工業(yè)與醫(yī)療設備的電源系統(tǒng)。
　　交換式電源供應的數(shù)字控制回路解決方案可分為固定功能硬件和DSP兩大類，它們各有自己的優(yōu)缺點。固定功能的硬件解決方案雖然體積小、速度快和成本低，但是缺乏彈性；DSP解決方案擁有極好的彈性，但是體積大、成本高、速度慢，需要很長的軟件學習過程。
　　Silicon Labs綜合此兩方面的優(yōu)勢，以更高水平的瞬時響應、電源密度、輸出功率和電源效率目標，推出首批的數(shù)字化電源控制器Si8250，借此進入電源市場。Si8250獨特架構包含主要回路控制所需的硬件DSP和負責執(zhí)行系統(tǒng)管理功能的輔助微控制器，這使它兼具DSP和固定功能硬件解決方案的優(yōu)點，故可以簡化系統(tǒng)設計、降低成本和節(jié)省空間。
　　交換式電源供應控制器市場的年銷售量估計為5億顆。Si8250已被市場接受，并有許多設計正在進行中。Silicon Labs已提供許多開發(fā)套件供客戶評估和研發(fā)使用，例如Astec已推出一款采用Si8250的產(chǎn)品，未來還會有更多產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)。
　　產(chǎn)品鏈接
　　Si8250全數(shù)字化電源控制解決方案，結合DSP的彈性以及固定功能數(shù)字硬件控制的成本效益和速度，提供所有必要的控制和保護功能，可用來為隔離式和非隔離式電源供應發(fā)展高度智能型和響應快速的電源供應與管理控制系統(tǒng)。Si8250內含高帶寬回路控制所需的專屬可編程DSP濾波器引擎和DPWM，另外還有50Mips 8051和32K可在線燒錄(ISP)閃存與12位、200Ksps的自掃描式模擬數(shù)字轉換器，可用來管理開機、關機、故障偵測和復原等，有別于其他的模擬系統(tǒng)通常必須由外部硬件提供的這些功能。Si8250這些功能使它能提供一套體積小、成本低、易于使用和功能強大的數(shù)字控制解決方案。專屬高速硬件和閃存式微控制器的結合讓它同時具備純硬件解決方案的效能以及DSP的可編程彈性。Silicon Labs還為Si8250提供一套容易使用的工具，它能利用使用者現(xiàn)有的S域設計方法并將數(shù)字化電源設計的學習難度減至最少。
　　記者觀察
　　數(shù)字電源市場前景誘人 新老廠商開疆拓土
　　-羅翠欽
　　隨著電子設備的功能越來越復雜，業(yè)界開始轉向數(shù)字控制的電源管理，數(shù)字電源是電源管理發(fā)展的新思路。對于“數(shù)字電源”這一新名詞，業(yè)界還沒有統(tǒng)一的定義，但都是圍繞電源的數(shù)字管理和控制說事兒。主攻方向為服務器、有線/無線數(shù)據(jù)通訊和電信系統(tǒng)、工業(yè)與醫(yī)療設備等應用市場。
　　TI、飛思卡爾、Silicon Labs、Atmel等IC廠商都非?？春脭?shù)字電源的未來市場，并率先投入到這一新的競爭領域。TI將其可編程數(shù)字技術與模擬技術結合推出了Fusion數(shù)字電源解決方案；飛思卡爾56F8000系列數(shù)字控制器宣稱應對高 

性價比、高效率需求。一些新進入者把數(shù)字電源視為未來發(fā)展的極好機會，Silicon Labs欲以數(shù)字電源為跳板進入電源管理領域。另外，Atmel、Zilker Labs也宣布加入到數(shù)字電源的競爭行列中。
　　數(shù)字電源何以區(qū)別傳統(tǒng)模擬電源？專家稱，數(shù)字控制器解決方案可分為固定功能硬件和DSP兩大類，它們各有自己的優(yōu)缺點。固定功能的硬件解決方案雖然體積小、速度快和成本低，但是缺乏彈性；DSP解決方案擁有極好的彈性，但是體積大、成本高、速度慢，需要很長的軟件學習過程。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，其產(chǎn)品已被客戶采用，他們相信未來市場將會有更快更好的發(fā)展。
　　除了這些IC廠商，嗅覺靈敏的調研公司也對此給予極大關注。據(jù)市場研究機構Darnell Group估計，AC/DC和DC/DC電源轉換的市場價值將在2009年達到174億美元。iSuppli公司電源IC分析師則表示，30年前電源行業(yè)開始轉向開關模式電源MOSFET，這是一個很大的變化，而現(xiàn)在電源數(shù)字化趨勢可能是更大的變化。
　　更大集成度、更高效率、更快瞬時響應及更高靈活性成為數(shù)字電源廣受青睞的理由。然而，對于這一新興事物，業(yè)內人士也有不同看法。著名電源管理IC廠商Linear稱，成本、性能成為客戶的重要選擇指標，與模擬解決方案相比，數(shù)字電源成本偏高，而性能也沒有體現(xiàn)什么優(yōu)勢，因而其處境尷尬。Databeans模擬分析師也表示，數(shù)字電源目前的主要問題是電源工程師還不習慣編程。