白話數(shù)字電源

數(shù)字電源的概念已經(jīng)被提出多年，很多公司也已經(jīng)推出了各種數(shù)字電源產(chǎn)品，可以說數(shù)字電源算不上是什么新生事物。然而，由于關(guān)于數(shù)字電源的宏觀、中立 性的中文文獻并不多，所以數(shù)字電源的輪廓依然并不十分清晰。多數(shù)文獻來源于數(shù)字電源生產(chǎn)廠商，他們當(dāng)然傾向于夸大數(shù)字電源的優(yōu)勢，而且從來不忘記宣傳他們 自己的產(chǎn)品，讀者可得到的有價值信息十分有限。媒體也往往跟著“忽悠”，多有贊譽、吹捧之辭，并喜歡引用廠商的官方套話，常常讓 人一頭霧水、不知所云。本人不是數(shù)字電源的“專家”，通過與廠商的接觸和閱讀一些中、英文文獻，大膽整理出這篇文章，希望能有助 于將復(fù)雜的問題簡單化，勾勒出一幅較為清晰的數(shù)字電源畫面。

為何需要數(shù)字電源

我們知道，電子產(chǎn)品所需的電能本質(zhì)上是模擬的。從輸出的形式來看，所有的電源也都是模擬的。所謂數(shù)字電源不過是指電源內(nèi)部所使用的技術(shù)，即 PWM回路采用數(shù)字技術(shù)進行控制。那么為什么非要采用數(shù)字技術(shù)呢?據(jù)說數(shù)字電源具有如下優(yōu)勢：所需外部元件少、可配置、成本低、效率高。從前兩項優(yōu)勢來 看，數(shù)字電源顯然適合比較復(fù)雜的高端供電系統(tǒng)，因此，我們認(rèn)為數(shù)字電源基本沒有可能完全取代傳統(tǒng)的模擬電源。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，簡單的模擬電源就足夠 了。

數(shù)字控制電路的性能和成本優(yōu)勢體現(xiàn)在摩爾定律上，即數(shù)字電路的尺寸每18～24個月縮小一半?？紤]新一代的集成電路制造成本比上一代高 10%～20%，數(shù)字電路的總成本每2～3年便會減少一半。相比之下，模擬電路的尺寸每4～8年才縮小30%。所以，理論上講，同樣性能的數(shù)字電源的成本 下降速度要比模擬電源快得多。如下圖所示，至2008年底，數(shù)字控制器的成本將低于模擬控制器。

圖1 數(shù)字控制器的成本下降速度低于模擬控制器

據(jù)美國Darnell集團的預(yù)測，數(shù)字電源IC的市場將以每年36%的復(fù)合增長率增長。至2011年，全球數(shù)字電源IC(包括整壓回路控制器VR、非整壓回路控制器、功率因數(shù)校正、轉(zhuǎn)換管理IC和系統(tǒng)管理IC)的市場規(guī)模將達(dá)到8億美元。

數(shù)字電源的典型應(yīng)用

前文提到，數(shù)字電源最適合較為復(fù)雜的高端電源和電源系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心供電是數(shù)字電源當(dāng)前的熱點應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器密度依然在不斷上升。目前，一個42U機架的總功率為25kW左右，而且正朝著40kW的方向邁進。據(jù)說，70%的數(shù)據(jù)中 心面臨空間、供電和冷卻的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心的供電成本高昂，可以占到一些IT公司總預(yù)算的20%～25%，每個刀片服務(wù)器每年的運行成本甚至超出服務(wù)器本身 的成本。雖然數(shù)字電源技術(shù)不能解決服務(wù)器的耗電增長問題，但數(shù)字電源有望通過提供電高效率來緩解數(shù)據(jù)中心的供電和冷卻困境。

福布斯網(wǎng)站上刊登了一篇不太中立的文章，講述Power One公司和它的總裁Steve Goldman的數(shù)字電源成功之路。Power One曾經(jīng)把一家大型服務(wù)器公司的供電效率從89%提高到93%，這樣每三年每臺服務(wù)器將節(jié)省電費1400美元，算下來等于三年白賺一臺電源。有必要指出 的是，美國各州的電費水平相差懸殊，因為各州的能源政策各不相同。估計這家客戶位于電費昂貴的地區(qū)，比如加利福尼亞州。這個幅度的效率提升能為中國的數(shù)據(jù) 中心客戶帶來多少效益，感興趣的讀者可以自己算一下。

數(shù)字電源的普及障礙

既然能給客戶帶來那么大的好處，那么數(shù)字電源應(yīng)該像野火一樣迅速普及到世界各個角落的每個機房。但實際情況并非如此;采用數(shù)字電源的數(shù)據(jù)中心依然有限。Goldman指出了妨礙數(shù)字電源推廣的三大原因(或借口)。

首先，大型系統(tǒng)的更新?lián)Q代周期較長。例如，一個大型交換機需要三、五年的時間來開發(fā)，服役期大概又是五年。如果客戶要采用一種新技術(shù)，他就 要徹底重新設(shè)計線路板。如果最后發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)存在問題，客戶損失的將是整整一個產(chǎn)品周期的銷售額。雖然高端系統(tǒng)最需要數(shù)字電源，但由于客戶擔(dān)心潛在的巨大 風(fēng)險，所以往往不敢嘗試這種新技術(shù)。

其次，電源管理技術(shù)負(fù)責(zé)人通常都是模擬技術(shù)出身。電源轉(zhuǎn)換從來都是模擬的，所以這個行業(yè)的大腕只熟悉模擬電源，他們在數(shù)字電源面前完全是生手。由于人們對于自己不熟悉的東西往往采取拒絕的態(tài)度，所以數(shù)字電源容易遭到冷落。[!--empirenews.page--]

值得注意的是，在這一點上，中國的情況與西方相比有所不同。西方電子工程師的典型年齡在四、五十歲，他們的優(yōu)點是經(jīng)驗豐富，缺點是知識陳 舊、接受新事物的能力差。而中國工程師的典型年齡是25～30歲，經(jīng)驗雖然不那么豐富，但對待新知識如饑似渴，更樂于接受新事物。所以，新技術(shù)在中國的傳 播阻力要小得多?；诖?，那些技術(shù)創(chuàng)新型的公司應(yīng)該在中國市場多花些力氣。

數(shù)字電源普及的最后障礙是客戶擔(dān)心找不到替代產(chǎn)品。因為目前數(shù)字電源仍處于發(fā)展初期，所以每個供應(yīng)商的方案都很獨特，他們會為客戶定制線路板層面的供電結(jié)構(gòu)，而這正是客戶所害怕的。

突破編程障礙

靈活性、可配置性是數(shù)字電源的特點，但這同時也意味著產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜性，即開發(fā)過程中需要編程工作。前文提到，電源工程師大多是模擬技術(shù)出身，編程正是他們的弱項。數(shù)字電源如果能做到不需要編程，就會大大降低其技術(shù)門檻，普及速度就會大大加快。

圖2 這個同步升壓轉(zhuǎn)換器中的典型DSC架構(gòu)含有快速算術(shù)運算和控制電路

一些廠商注意到了這一市場需求，正在致力于開發(fā)或幫助工程師開發(fā)無需編程的數(shù)字電源。

Zilker Labs推出的ZL2005產(chǎn)品是無需編程的數(shù)字電源。其運行功能和設(shè)置均可通過簡單的引腳選擇、電阻選擇或通過板上串口加以配置，無需復(fù)雜的編程。此外，ZL2005 可使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)PMBus命令集與其他PMBus設(shè)備或主機系統(tǒng)控制器進行通信。

Microchip公司的數(shù)字信號控制器(DSC)可提供數(shù)字電源控制環(huán)路所需功能，但不需要DSP編程，所以利用DSC向數(shù)字電源過渡比DSP更容易。

美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW設(shè)計軟件是一個圖形化的軟件，用戶無需懂得VHDL編程語音也可以用LabVIEW來實現(xiàn)復(fù)雜的算法。NI以3UPXI總線電源為例，說明了如何可以利用LabVIEW來設(shè)計小尺寸、高效率、高智能的數(shù)字電源。

圖3 PID算法可在LabVIEW中可實現(xiàn)，并在物理驗證時作為回路中的硬件運行