可編程彈性顯優(yōu)勢　數(shù)字電源管理IC大放異彩

精準監(jiān)控電流/電壓　數(shù)字電源管理需求看漲

　　過往工程師在開發(fā)電子元件時若須調(diào)整元件電源效率，往往須大費周章調(diào)整電路板，因此業(yè)界提出數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術，協(xié)助元件開發(fā)商在短時間內(nèi)以數(shù)字介面監(jiān)測、修改元件參數(shù)（Parameter），以提高元件能源使用效率。

　　
圖1　凌力爾特微型模組電源產(chǎn)品行銷經(jīng)理Afshin Odabaee表示，
數(shù)字電源管理技術將有助于資料中心廠商精準監(jiān)控電力使用情形。

　　凌力爾特（Linear Technology） μModule電源產(chǎn)品行銷經(jīng)理Afshin Odabaee（圖1）表示，伺服器從元件、電路板至系統(tǒng)整體的耗電變化已成為資料中心可靠度的重要指標，不過，要減少整體電力消耗則須精準觀察每個層級的用電量（圖2）。數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術能透過數(shù)字匯流排（Digital Bus）提供設計人員重要的電源相關數(shù)據(jù)，包括負載電流、輸入電流、輸出電壓、運算電力消耗、整體效率以及其他電源管理參數(shù)等。

　　圖2　數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術將層層把關電源消耗情形。

　　Odabaee進一步指出，與傳統(tǒng)負載點（Point of Load， POL）轉(zhuǎn)換器相較，數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術能提供三大優(yōu)勢，包括電壓優(yōu)化（Voltage Optimization）、動態(tài)控制電壓輸出以及系統(tǒng)級的電力監(jiān)控。

　　關于電壓優(yōu)化特色，Odabaee分析，由于電壓輸出精準度對特定應用積體電路（ASIC）及現(xiàn)場可編程閘陣列（FPGA）供電而言至關重要，但傳統(tǒng)電源供應輸出電壓在溫度變化時容易產(chǎn)生飄移（Drift），并可能破壞整體設計。數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術則能持續(xù)地以高精度及可靠的類比數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）量測電壓輸出情形。與此同時，時間伺服回路（Time Servo Loop）將自動調(diào)整修正數(shù)字類比轉(zhuǎn)換器（Trim DAC）值，藉此消除輸出電壓偏移情形，改善供電精準度。

　　另一方面，數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術還能動態(tài)控制輸出電壓。傳統(tǒng)電源供應電壓通常系固定的，且無法簡單地改變；數(shù)字電源系統(tǒng)管理方案將可透過雙線（2-wire）數(shù)字介面，調(diào)整1毫伏特（mV）以下的電源變化，工程師可輕松地以此調(diào)整系統(tǒng)效能、最小化能源浪費。

　　事實上，數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術最重要的功能系系統(tǒng)級電源監(jiān)控。傳統(tǒng)電源供應方案中，電源監(jiān)控功能往往被分開放至直流對直流（DC-DC）穩(wěn)壓器 （Regulator）上，僅有部分過電壓/低電壓（OV/UV）以及過電流（OC）錯誤可被偵測并傳送至主控制器中；數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術的電源監(jiān)控則系內(nèi)建功能且可編程。數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術可計算電壓/電流錯誤與高精度電壓、電流及溫度等變化關聯(lián)情形，并儲存于內(nèi)部非揮發(fā)性記憶體，以進一步除錯，并且分析根本肇因。

　　凌力爾特最新μModule降壓DC-DC穩(wěn)壓器--LTM4676已導入數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術，在16毫米 （mm）×16毫米×5.01毫米的球閘陣列（BGA）封裝中，整合雙組類比控制回路、精密混合訊號電路、電子式可清除可編程唯讀記憶體 （EEPROM）、功率金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）、電感和支援零組件，可彈性調(diào)整電源供應情形，提高能源使用效率。

　　事實上，除透過數(shù)字電源系統(tǒng)管理技術確保能源效率外，電源管理IC若本身具備可編程特色，將為整體電源管理效能增添助力。

　　由于可編程電源管理積體電路（Programmable Power Management IC）不僅具備高彈性電源調(diào)整空間，且可減少電阻、電容元件的使用顆數(shù)，顯著縮小電路板面積，因而吸引賽靈思（Xilinx）、Altera、英特爾 （Intel）、飛思卡爾（Freescale）等晶片大廠相繼推出參考設計，欲搶先卡位高達1.5億美元的潛在市場（TAM）。

　　具動態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)勢　可編程PMIC前景可期

　　
圖3　EXAR電源管理與AMS副總裁James Lougheed認為，
可編程電源管理方案已成為整體電源管理方案中快速成長的一大類別。

　　EXAR 電源管理與類比混合訊號（AMS）副總裁James Lougheed（圖3）表示，整體電源管理市場產(chǎn)值正明顯躍升，除線性產(chǎn)品與非獨立式DC-DC切換穩(wěn)壓器各具備35億美元的市場潛力外，可編程電源管理產(chǎn)品前景更是不容小覷，目前已有超過一百家以上的x86及安謀國際（ARM）架構(gòu)的伺服器、基地臺、影像監(jiān)控（Video Surveillance）及家庭閘道（Home Gateway）業(yè)者看好可編程電源IC低成本、高整合度的優(yōu)勢，將其大量導入產(chǎn)品設計中。

　　Lougheed分析，電源管理市場正掀動一股產(chǎn)業(yè)變化，為可編程電源管理方案帶來快速成長的契機，包括智慧電源供應（Intelligent Power Supply）以及模組電源（Module Power）等需求皆迅速增加。

　　以智慧電源供應需求為例，電源監(jiān)控方案除須提升至系統(tǒng)層級外，尚須減少元件數(shù)量及整體電路板面積，以提高電源監(jiān)測可靠度。與此同時，電源監(jiān)控方案須支援多重關閉模式（Multiple Shutdown Modes）及動態(tài)電壓規(guī)模（Dynamic Voltage Scaling），以避免多余電源浪費情形。

　　Lougheed比較傳統(tǒng)類比脈寬調(diào)變（PWM）以及可編程電源管理方案兩者的四通道方案元件顆數(shù)，前者需一百四十八顆、后者僅需三十三顆，可顯著減少電路板占位面積。

　　事實上，電源方案廠商若要在短時間內(nèi)針對企業(yè)、工業(yè)等各式不同應用端設計產(chǎn)品，將傾向采用模組化的可編程電源管理方案，除可省卻重新設計系統(tǒng)的麻煩，亦可在伺服器、網(wǎng)路或通訊設備有限的空間中發(fā)揮電源管理方案的最大效益。

　　據(jù)了解，由于可編程電源管理市場發(fā)展?jié)摿嫶螅虼薊XAR除發(fā)表一系列切換控制器、線性穩(wěn)壓器外，更大規(guī)模投資多重輸出數(shù)字控制器（Multi Output Digital Controller）--PowerXR系列產(chǎn)品，欲于網(wǎng)路、電信、伺服器以及工業(yè)等各大應用市場大顯身手。

　　同樣看好可編程電源管理市場前景，現(xiàn)場可編程閘陣列（FPGA）廠商賽靈思、Altera以及晶片大廠英特爾、飛思卡爾、博通（Broadcom）、超微 （AMD）等也已推出采用EXAR PowerXR方案的可編程電源管理參考設計，預備于未來幾年挾數(shù)字電源的可編程彈性大舉搶市。

　　值得一提的是，Altera為進一步改善FPGA耗電表現(xiàn)，除與業(yè)界推出參考設計外，更于今年5月斥資1.4億美元并購DC-DC電源晶片廠商Enpirion，并新增一系列高效率DC-DC電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品線--PowerSoC系列。

　　Enpirion電源專業(yè)發(fā)功　Altera優(yōu)化FPGA功耗

　　Altera已將電源方案整合至旗下FPGA參考設計，期提供客戶更高的FPGA電源轉(zhuǎn)換效率及更小的電路板面積，希望藉由高效率電源管理方案鞏固市場地位。

　　
圖4　Altera電源事業(yè)行銷總監(jiān)Mark Davidson指出，Altera最新
電源優(yōu)化參考設計讓客戶僅需簡易三步驟即可完成產(chǎn)品設計。

　　Altera 電源事業(yè)行銷總監(jiān)Mark Davidson（圖4）表示，電源管理設計對Altera客戶而言已成為決定產(chǎn)品成敗的重要關鍵，因此，該公司除針對成本、頻寬等不同需求推出各式復雜可程式邏輯元件（CPLD）及FPGA產(chǎn)品線外，更在并購Enpirion后加入完整、易上手且高效率的電源解決方案，并使其與Altera旗下FPGA 產(chǎn)品搭配，為客戶提供更高產(chǎn)品附加價值，且讓客戶可于短時間內(nèi)設計出更高效能的系統(tǒng)。

　　Davidson強調(diào)，Altera除將持續(xù)提供自有的FPGA電源管理專業(yè)外，更將借力Enpirion獨特的DC-DC電源技術優(yōu)勢，包括先進電源封裝（Advanced Power Packaging）、電磁工程（Magnetics Engineering）、高頻率切換（High Frequency Switching）等，并將上述優(yōu)勢的高整合PowerSoC系列產(chǎn)品與Altera旗下FPGA產(chǎn)品線進一步結(jié)合，強化FPGA電源管理效能。

　　據(jù)了解，由于Enpirion的PowerSoC DC-DC電源轉(zhuǎn)換器在極小的封裝中整合控制器、高頻功率場效電晶體（High Frequency Power FET）以及數(shù)個電感器（Inductor），因而可以在理想的電路板占位面積中滿足FPGA電源動態(tài)表現(xiàn)需求。與競爭對手方案相較，Enpirion電源解決方案可協(xié)助FPGA電路板開發(fā)商減少50%以上占位面積、提升35%整體系統(tǒng)電源表現(xiàn)效率（圖5）。

　　圖5　Enpirion電源管理方案將可提升Altera旗下FPGA的電源效率。

　　不僅如此，Enpirion電源解決方案的控制回路（Control Loop）可產(chǎn)生理想的暫態(tài)表現(xiàn)，因此Altera客戶可減少使用50%以上的大型解耦電容器（Bulk Decoupling Capacitor）顆數(shù)；另外，Altera亦利用本身專業(yè)，以高效率切換式穩(wěn)壓器（Switching Regulator）替代線性（Linear）調(diào)整方案，提供低噪（Low Noise）及高效率電力轉(zhuǎn)換器與鎖相回路（PLL）。綜合以上技術，Altera可協(xié)助客戶顯著減少元件顆數(shù)，并提供更高的產(chǎn)品可靠度以及延長產(chǎn)品生命周期。

　　Altera約半年前并購Enpirion后，于10月推出首款電源優(yōu)化FPGA參考設計，提供FPGA使用者及電路板開發(fā)商一套完整（Turnkey）的電源解決方案。Altera首款參考設計將鎖定Cyclone V系統(tǒng)單晶片（SoC）系列，而第四季稍晚該公司亦將陸續(xù)發(fā)表Stratix V、Arria V與Cyclone V FPGA系列電源優(yōu)化參考設計，而上述產(chǎn)品皆基于28奈米（nm）制程生產(chǎn)；除此之外，2014年上半年Altera將進一步發(fā)表針對28奈米制程產(chǎn)品電源優(yōu)化方案的完整開發(fā)套件，協(xié)助客戶大幅縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。

業(yè)界透過并購案強化數(shù)字電源管理技術能力的廠商不只一家，戴樂格 （Dialog）今年7月并購交流對直流（AC-DC）數(shù)字電源管理IC商iWatt后，也展開一連串的市場拓展動作，期利用iWatt既有的AC-DC 電源管理技術、專利及LED專業(yè)，于數(shù)字電