揭秘數字電源轉換“失寵”的背后

　　由于電子系統(tǒng)變得越來越復雜——每個處理器需要多達 5 個電壓軌，而每個印刷電路板又具有多個處理器，因此電源復雜性增加了。諸如跟蹤、排序與邊際檢查以及電壓軌上低至 0.9V 的嚴格穩(wěn)壓要求使得電源專家們認為數字電源是解決上述這些問題的有效的替代解決方案。

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

　　數字電源的市場規(guī)模和增長率

　　Darnell Group 最新的一份報告顯示：數字電源IC市場在未來五年內銷售額將一躍達到近 8 億美元?！稊底蛛娫葱屡d市場：組件、轉換器以及系統(tǒng)級商機》第二版報告調研了包括 VR 環(huán)路控制、非 VR 環(huán)路控制器、功率因數環(huán)路校正環(huán)路控制器、轉換器管理 IC 以及系統(tǒng) IC 在內的全球數字IC市場。Darnell 預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，數字電源管理和控制產品市場取得了長足的發(fā)展。更多的電源轉換器公司都將推出集成了數字電源管理和控制IC 解決方案的產品，其中包括混合（模擬和數字）和純數字電源。 與此同時，系統(tǒng)廠商正努力尋找數字控制的優(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 調研顯示其他的一些經濟因素也將成為推動數字電源取代模擬解決方案的必然性。模擬IC 技術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。 就數字 IC 而言，每新推出一代產品或每增加 18～24 月裸片尺寸就會縮小 2 倍。

　　但是，由于每推出新一代產品的成本就要高 10%～20%，因此要想將數字電源的成本降低 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字電源控制器的制造節(jié)點早就有了。Darnell 調研顯示在兩種半導體工藝使用壽命中，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。該調研公司還注意到如果具體應用要求“多功能”解決方案的話，數字電源已經比模擬電源便宜。

　　要求數字電源的應用

　　在過去的幾年里，系統(tǒng)設計人員已經開始將電源系統(tǒng)/轉換器看成是罪惡之源，因為必須將其考慮到將來要推出產品的整體成功中去。

　　三十年前，人們就播下了該行業(yè)從根深蒂固的線性技術向開關模式轉換的種子。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 增強和封裝技術的進步，開關模式電源 （SMPS） 已能夠克服障礙并主導所有電源級別的市場。隨著開關模式轉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 年里數字電源轉換一直很受青睞，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，他們設計了功率級、磁場和控制器，此外還要進行 PCB 布局?，F在他需要學習數字硬件與固件知識或擁有一個圍繞數字電源設計工作的三人工作小組；

　　二、成本收益比；

　　三、我們不應忘記完全采用開關模式轉換器花費了我們 20 來年的時間，現在時機成熟了。我們必須要將所有上述這些原因和只有數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用聯(lián)系在一起。

　　雖然人們進行了許多采用數字電源的嘗試，但是數字電源技術沒有在任何一個將會給電源產業(yè)帶來轉轉折點的具體應用中得到廣泛采用。人們仍然在考慮是否需要一個推動采用或非成本敏感型 200A、多相位服務器內核電源的大容量 PC 市場，或要求診斷和自動測量記錄傳導的 N+1 型冗余市場。在任何情況下，數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。數字解決方案必須要大大拓展應用領域，從而提供模擬電源系統(tǒng)很難實現甚至是從未實現的突破性特性 。

　　自 20 世紀 90 年代末以來，真正的數字電源控制器一直不斷發(fā)展，即真正的數字信號處理器、微 ASIC 和狀態(tài)機?，F在，他們正處于緊要關頭，硬件、軟件和設計工具共同驅動數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會議和巴爾的摩展會上展出的高級設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驗豐富的模擬電源設計人員。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。

　　目前數字控制器廠商已在該技術上投入了足夠的資金，主要包括列舉和展示數字電源給主要終端設備 OEM 廠商帶來的固有優(yōu)勢?；诓捎寐剩恍┦袌龇治鰩燁A測這種新型的技術將會有一個光明的前景。到 2020 年末，數字電源轉換器將與模擬解決方案勢均力敵。

　　要求數字電源控制器的曲型應用之一是如下所示的太陽能逆變器。

　　太陽能逆變器結構圖

　　太陽能逆變器是整個太陽能系統(tǒng)的一個關鍵組件。它擔負著將 PV 電池的可變 DC 輸出轉換成一個清潔的正弦波 50 或 60 Hz 電流的任務，以適用于為商用電網或局部電網供電。

　　DSP 控制器——數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 主要橋接的驅動由控制器高度靈活的 PWM 外設實現。

　　其他應用為 TETRA（陸地集群無線電）基站

　　數字電源的最新情況

　　轉換器各種容易出錯的組件（如：電感、電容以及誤差放大器）的不可預測影響可以通過使用兼顧了大批量生產公差的數字電源控制器加以補償。

　　將這些數字特性整合到一起以創(chuàng)建可以滿足當今和未來最復雜系統(tǒng)苛刻電源要求的電源系統(tǒng)的方法不拘一格。

　　實際上，TI 曾在 2009 數字電源論壇上揭開其針對 AC 到 DC-DC 負載點應用的最新解決方案和產品展示的神秘面紗，還展現了大量關于數字電源的技術論文。

　　該控制器使用一種易于使用的 Fusion Digital Power 設計人員工具進行配置。該工免費且可以下載，旨在通過允許設計人員輕松地配置許多電源參數從而簡化開發(fā)過程并加速產品上市進程，其中包括利用可選的默認響應進行電壓和電流閾值的配置、電源電壓排序、監(jiān)控、軟啟動/停止、跟蹤、容限、控制環(huán)路響應、相位管理以及風扇控制的配置。此外，還針對要求超高轉換效率的應用提供了參考設計，該參考設計使用集成驅動器/MOSFET 技術。