電源技術(shù)不斷創(chuàng)新 數(shù)字電源開辟新天地

過去數(shù)十年來，全為模擬技術(shù)掌控的電源|穩(wěn)壓器管理世界，現(xiàn)在正開始融入數(shù)字技術(shù)。“數(shù)字電源”開始受到業(yè)界關(guān)注，一些老牌半導(dǎo)體廠商以及新興的IC供應(yīng)商率先投入到這個新的競技場。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，一些市場調(diào)研機(jī)構(gòu)也對數(shù)字電源的前景表示樂觀，據(jù)Darnell的數(shù)據(jù)顯示，2006年全球數(shù)字電源芯片市場為1.69億美元，預(yù)計2010年將達(dá)到7.96億美元，年復(fù)合增長率為36.4%。iSuppli公司電源ic分析師Chris Ambarian表示，30年前電源行業(yè)開始轉(zhuǎn)向開關(guān)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。

　　數(shù)字電源 Vs. 模擬電源 合適就好

　　對于數(shù)字電源這個“新生”事物，業(yè)界不僅有熱情的掌聲，同時也不乏質(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？模擬陣營的擁戴者認(rèn)為，與數(shù)字方案相比，模擬設(shè)計的成本更低，現(xiàn)代的模擬實現(xiàn)方法實際上表現(xiàn)更為出色。

　　就讓我們先了解一下什么是數(shù)字電源管理，嚴(yán)格來說數(shù)字電源管理必須分成兩個層面，一是功率轉(zhuǎn)換部分，另一是控制回路部分，功率轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)決定要輸出的電壓準(zhǔn)位，例如要3.3V或2.5V等，而控制回路則用來確保輸出值的穩(wěn)定，一旦輸出電壓過高或過低，回路將透過感測、回授等動作對輸出進(jìn)行修正。

　　以數(shù)字方式實現(xiàn)、操作“功率轉(zhuǎn)換”其實已不是新鮮事，許多CPU都能動態(tài)輸出一組數(shù)字?jǐn)?shù)值，告知供電系統(tǒng)CPU目前需要何種準(zhǔn)位的工作電壓，供電系統(tǒng)接收到數(shù)值后就會對應(yīng)調(diào)整輸出電壓，這樣的技術(shù)已運(yùn)用多年，且需求愈來愈普遍。

　　比較特別的是“控制回路”部分，一直以來控制回路都是用模擬方式實現(xiàn)，透過誤差信號的放大器、參考電壓、電壓比較器、運(yùn)算放大器等來穩(wěn)定供電輸出，而今日提出的數(shù)字作法，是將誤差信號透過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)值，再將數(shù)值傳遞給微控制器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP），由MCU /DSP進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算后再由MCU /DSP對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整修正，以此來控制輸出，更具體而言此當(dāng)稱為數(shù)字供電控制（Digital Power Control）。

　　所以，目前業(yè)者力推的數(shù)字電源管理方案也必須進(jìn)一步理清，有些業(yè)者推行的是功率轉(zhuǎn)換部分的數(shù)字化，但控制回路部分仍采模擬設(shè)計，另一種則是兩個部分都以數(shù)字化方式設(shè)計，現(xiàn)在功率轉(zhuǎn)換部分使用數(shù)字方式已是共識，但控制回路的部分就產(chǎn)生了諸多爭論，因為控制回路以數(shù)字方式實現(xiàn)有其利弊，并非一切特性都優(yōu)越于傳統(tǒng)模擬方式。

　　先說明模擬，模擬控制回路的好處是設(shè)計簡單、成本低廉、控制回路本身所需的用電少、不需要額外的供電電壓、補(bǔ)償原理容易理解、已歷經(jīng)多年實證、沒有系統(tǒng)性抖動的問題。缺點是無法進(jìn)行較細(xì)膩的供電監(jiān)控（容易受溫度改變、電路老化、其它特性誤差或偏移所影響）、若想改變轉(zhuǎn)換效率必須修改電路、只能使用簡單的算法跟控制拓樸。

　　相反的，數(shù)字控制回路的好處就是能進(jìn)行各項細(xì)節(jié)監(jiān)控（溫度、偏差、過電流等）、能用較模擬低廉的成本來實現(xiàn)控制演算、改變轉(zhuǎn)換功率只要事先將條件寫入控制程序內(nèi)即可達(dá)成，或者是透過程序更新來達(dá)成，總之都不需要修改設(shè)計電路即可完成改變（避免產(chǎn)品要召回修改）。

　　當(dāng)然，數(shù)字作法的缺點就是較貴的成本、較復(fù)雜的設(shè)計（也較耗占電路空間）、較多的用電、需要為MCU（有時還要用上EEPROM來儲存演算程序或控制參數(shù)）、ADC準(zhǔn)備額外的工作電壓、有抖動問題、實證尚少、補(bǔ)償作法較復(fù)雜等。

　　也因為數(shù)字方式比較靈活，所以在功率轉(zhuǎn)換上也更具彈性效益，而模擬方式僅能有一種固定的演算控制法，當(dāng)負(fù)載過輕過重時轉(zhuǎn)換效率就會降低，而無法動態(tài)調(diào)整因應(yīng)。反過來，數(shù)字方式需要高速取樣、高分辨率的ADC，以及高運(yùn)算效率的MCU或DSP，如此會增加控制回路的用料成本。

　　整體來說，模擬仍持續(xù)在簡單型、價格取向的應(yīng)用中占優(yōu)勢，而數(shù)字作法將在復(fù)雜、靈活需求中率先采用，不過隨時間推移將愈來愈對數(shù)字作法有利，如同今日愈來愈多東西都已換成數(shù)字型式，如模擬相機(jī)換成數(shù)碼相機(jī)、模擬電視換成數(shù)字電視，如今供電控制也逐漸數(shù)字化中，至于功率轉(zhuǎn)換部分的數(shù)字化進(jìn)度更快。

　　事實上，數(shù)字與模擬這兩種技術(shù)并非針鋒相對，很多情況下二者甚至是互補(bǔ)的。在電源設(shè)計領(lǐng)域，模擬技術(shù)的優(yōu)勢依然存在，而數(shù)字技術(shù)的價值也會根據(jù)不同的電源應(yīng)用而有所差異，以模擬控制架構(gòu)為例，其內(nèi)部脈寬調(diào)制電路即包含了數(shù)字電路，例如：時鐘、門電路等。三十年后，數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)成電路同樣也包含了明顯的模擬電路，如：ADC、基準(zhǔn)源、放大器等。因此，正確的方案選擇取決于電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與當(dāng)前可以利用的技術(shù)和系統(tǒng)需求有關(guān)。因此，當(dāng)前的劃分標(biāo)準(zhǔn)可能不同于將來的標(biāo)準(zhǔn)。對于選擇數(shù)字電源還是模擬電源這個問題，其原則應(yīng)該是“合適就好”。

　　數(shù)字電源新品迭出

　　數(shù)字電源解決方案具有多大吸引力，這可以從眾多供應(yīng)商紛紛宣布推出產(chǎn)品當(dāng)中一目了然。

　　TI 新一代數(shù)字電源控制器UCD9240

　　德州儀器|儀表(TI)宣布推出了第三代Fusion Digital Power控制器UCD9240以及全新插入式模塊，進(jìn)一步升級當(dāng)今電源系統(tǒng)管理的智能化程度。這種全配置且功能豐富的電源管理產(chǎn)品，實現(xiàn)了對多達(dá)四個獨(dú)立數(shù)字控制環(huán)路和八種相位的數(shù)字化管理，同時還將輕負(fù)載條件下用電效率提高了30%。

　　TI的四通道輸出多相位UCD9240電源系統(tǒng)控制器采用250皮秒分辨率的數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，并可通過圖形用戶接口(GUI)進(jìn)行全面配置，實現(xiàn)對DC/DC負(fù)載點電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行監(jiān)測、控制與管理。GUI配置功能使設(shè)計人員能夠?qū)﹄娫措妷骸㈦娏鏖撝蹬c響應(yīng)、軟啟動、容限、排序、跟蹤、相位管理、環(huán)路響應(yīng)、風(fēng)扇控制以及其它眾多參數(shù)和功能進(jìn)行全面的智能管理。

　　UCD9240采用Fusion Digital Power外設(shè)，可實現(xiàn)全數(shù)字環(huán)路控制，并支持高達(dá)2MHz的開關(guān)頻率。該控制器正常工作時的最小電源電流僅為40mA，支持高達(dá)100條PMBus接口指令，可實現(xiàn)電源的控制、配置和管理功能。

　　TI提供種類繁多的數(shù)字電源IC產(chǎn)品，以便在簡單易用的可視開發(fā)環(huán)境中以高系統(tǒng)智能與性能實現(xiàn)電源系統(tǒng)的數(shù)字控制。從Fusion Digital Power系列的UCD9K與UCD7K控制器和電源驅(qū)動器到基于DSP的全面可編程高性能TMS320F28x控制器，TI數(shù)字電源解決方案針對多種應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化，從負(fù)載點到高功率AC/DC轉(zhuǎn)換器等無所不包。

　　Primarion雙輸出同步DC/DC控制器

　　Primarion公司近日宣布推出雙輸出雙相PX 7522，這款產(chǎn)品是其可編程數(shù)字電源轉(zhuǎn)換和電源調(diào)節(jié)集成電路產(chǎn)品即Primarion Di-POL(TM)系列中的最新產(chǎn)品

　　PX 7522是一款電源轉(zhuǎn)換和電源調(diào)節(jié)集成電路，可用于電信、數(shù)據(jù)通信、在線服務(wù)和存儲市場上的同步DC/DC轉(zhuǎn)換器中。PX 7522可以調(diào)節(jié)兩個獨(dú)立的輸出或者在單輸出模式下調(diào)節(jié)兩相輸出。 它同時支持DCR和RDSon電流傳感集成電路布局技術(shù)，輸出電壓范圍寬，在0.5V到8V之間。這款可配置性極高的控制集成電路利用了PMBus和芯上非易失性存儲器(NVM)來增強(qiáng)其可控制性和實時系統(tǒng)監(jiān)控。

　　PX 7522的控制功能利用了數(shù)字技術(shù)，可以在提高輸出負(fù)荷的前提下提供合適的、穩(wěn)定的和靈活的解決方案。Primarion在它上面集成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C PMBus串行接口，從而讓電源設(shè)計者可以迅速優(yōu)化設(shè)計和監(jiān)控實時系統(tǒng)性能。

　　用戶們可以通過Primarion公司的圖形用戶界面將PX 7522的配置數(shù)據(jù)載入、編輯和保存在芯上非易失性存儲器上。配置數(shù)據(jù)保存在集成電路上之后，控制器就可以按照設(shè)計師預(yù)先定好的設(shè)置進(jìn)行實時調(diào)整，從而優(yōu)化性能準(zhǔn)確度。

　　許多配置方面的功能通常都需要一個外接微控制器利用其他技術(shù)完成。由于全數(shù)字控制、PMBus接口和用戶友好的圖形用戶界面帶來的高度靈活性，用戶在現(xiàn)有系統(tǒng)中就可以完成對PX 7522的電源管理性能的優(yōu)化工作。

　　利用這個創(chuàng)新而易用的解決方案，客戶們不但可以節(jié)省成本開支，還可以改善系統(tǒng)級性能，Primarion公司將繼續(xù)推動數(shù)字電源管理的發(fā)展，它的產(chǎn)品可用于電信、數(shù)據(jù)通信、在線服務(wù)、存儲器和圖像市場的集成電路廠商。

　　Zilker Labs高集成度3A電源管理與轉(zhuǎn)換IC

　　Zilker Labs日前推出整合了全數(shù)字電源管理功能的3A電源轉(zhuǎn)換單芯片解決方案。該公司表示，ZL2105將Zilker Labs的創(chuàng)新Digital-DC技術(shù)擴(kuò)展到了低功耗應(yīng)用領(lǐng)域中，并且在6×6毫米的小型封裝中將同步降壓轉(zhuǎn)換器(包括同步功率MOSFET)與關(guān)鍵電源管理功能進(jìn)行了完美結(jié)合。具有全數(shù)字電源管理功能的ZL2105僅需不足兩平方厘米的板面空間，這表明其尺寸及元件數(shù)減少了50%。如同所有Digital-DC IC，ZL2105可作為數(shù)字構(gòu)建塊，能夠與其它Digital-DC器件進(jìn)行完美結(jié)合，以提供面向板裝電源管理與轉(zhuǎn)換應(yīng)用的全面解決方案。

　　通過簡單的引腳帶連接、電阻選擇，或通過該器件上的板上串口，使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)電源管理總線(PMBus)命令集可對Zilker Labs的Digital-DC產(chǎn)品進(jìn)行全面配置。這些單芯片Digital-DC產(chǎn)品具有數(shù)字電源技術(shù)的可配置性、控制及監(jiān)控功能，且效率毫不遜色。此外，它們還消除了用戶編程的需要。為將多個Digital-DC IC整合在給定的應(yīng)用中，設(shè)計人員只需通過引腳帶選擇對每個IC進(jìn)行配置，并將每個器件的串行總線(SMBus)連接起來即可。然后這些器件便可通過SMBus相互通信，并可獨(dú)立于主機(jī)控制器運(yùn)行。這些器件可單獨(dú)加以監(jiān)控，也可作為一個系統(tǒng)加以監(jiān)控。

　　Silicon Labs高速、高集成度四信道數(shù)字隔離組件

　　Silicon Laboratories為進(jìn)一步擴(kuò)大其數(shù)字化電源產(chǎn)品陣容，日前推出業(yè)界高性能、容易使用和低成本的Si844x 2500VRMS數(shù)字隔離組件。這顆正在申請專利的數(shù)字隔離組件利用標(biāo)準(zhǔn)全CMOS技術(shù)制造多組芯片級變壓器，以提供高集成度的4信道隔離功能，據(jù)稱不但體積只有其它光耦合解決方案的三分之一，最多還能節(jié)省一半的零件成本。Si844x的數(shù)據(jù)速率比現(xiàn)有數(shù)字隔離組件快五成，每個信道在100Mbps速率下耗電量還不到12mA，最適合開關(guān)電源、以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò)以及隔離式模擬數(shù)據(jù)擷取等應(yīng)用。

　　相較于采用多顆分立組件的其它隔離技術(shù)，Si844x單芯片解決方案可以大幅簡化電路布局設(shè)計。Si844x是以一套專利架構(gòu)為基礎(chǔ)，其所獨(dú)家采用的射頻編碼和譯碼機(jī)制不需要特別考慮或初始設(shè)定就能提供強(qiáng)固可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑，這使它成為業(yè)界效能最強(qiáng)大的數(shù)字隔離組件。傳統(tǒng)隔離方法的速度通常極慢，操作特性也會隨著溫度和時間改變，Si844x組件的速度最多比其它隔離技術(shù)快1500倍，操作特性也不會隨著溫度、供應(yīng)電壓或時間而任意改變。

　　“Si844x是Silicon Laboratories數(shù)字化電源產(chǎn)品線的進(jìn)一步延伸，它利用專利技術(shù)提供效能無與倫比的高集成度電源解決方案。”Silicon Laboratories電源產(chǎn)品主管Don Alfano表示，“這顆數(shù)字隔離組件是一套符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的單芯片解決方案，它能用于任何需要電壓隔離、電壓位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換或接地回路消除等功能的應(yīng)用，這也讓我們的電源供應(yīng)客戶有更多產(chǎn)品可供選擇。”

　　結(jié)語

　　總之，數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計領(lǐng)域注入新的活力，同時也為電源設(shè)計人員帶來新的挑戰(zhàn)。如何在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，設(shè)計出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)正在成為電源設(shè)計工程師必須面對的新課題。