數(shù)字電源—漸行漸近的高端電源技術(shù)

蒲文清

數(shù)字電源作為一個(gè)“時(shí)髦”的技術(shù)詞匯近年來常常見諸于各種技術(shù)媒體，然而，對(duì)于絕大部分的國(guó)內(nèi)電源設(shè)計(jì)工程師來說，它依然只是一個(gè)新鮮概念，似乎離他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)非常遙遠(yuǎn)。在2007年前后，我們可以從一些跡象看出數(shù)字電源技術(shù)正漸行漸近，在國(guó)外高端產(chǎn)品中已經(jīng)有大量應(yīng)用的數(shù)字電源即將進(jìn)入到國(guó)內(nèi)部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。在TI、Primarion和iWatt等半導(dǎo)體企業(yè)的推動(dòng)下，數(shù)字電源技術(shù)正獲得更廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

什么是數(shù)字電源？德州儀器亞太區(qū)電源產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)嚴(yán)宗福認(rèn)為，數(shù)字電源器件必須包含可配置控制器內(nèi)核，再加上一個(gè)能作為DC/DC或AC/DC電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的集成PWM控制器，器件內(nèi)部以數(shù)字形式執(zhí)行回路轉(zhuǎn)換功能；美信計(jì)算和通信電源總監(jiān)Ahmad Ashrafzadeh表示，通常認(rèn)為如果可以進(jìn)行通信，并能通過數(shù)字總線進(jìn)行配置便是數(shù)字電源；Primarion公司營(yíng)銷副總載Deepak Savadatti認(rèn)為，數(shù)字電源通過串行接口擴(kuò)展了監(jiān)測(cè)和控制功能，使電源設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更靈活。這些說法描繪出了數(shù)字電源的一些特征—可配置、可監(jiān)控、設(shè)計(jì)靈活、簡(jiǎn)單。

應(yīng)用穩(wěn)定增長(zhǎng)

在數(shù)據(jù)通信設(shè)備中，通常主板需要36到40個(gè)電壓軌；在計(jì)算行業(yè)，一個(gè)主板上各種ASIC、存儲(chǔ)器和處理器芯片組通常需要的電壓軌超過20個(gè)。這種復(fù)雜的電源系統(tǒng)需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的診斷、控制和監(jiān)控，而這些功能是模擬電源所不能實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的解決方案通過增加分離的微控制器的方法對(duì)于降低系統(tǒng)成本、功耗、板子面積都不利，而數(shù)字電源的高度集成、設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)能解決這些設(shè)計(jì)需求。“數(shù)字電源提供了目前模擬設(shè)計(jì)所不具備的新特性，如通信、診斷、易于升級(jí)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可用這些新特性來提高電源性能。” 嚴(yán)宗福指出。

“當(dāng)前對(duì)高效、可靠的電源管理的需求增長(zhǎng)非?？欤捎媚M電源解決方案難以滿足這些設(shè)計(jì)需求。” Deepak Savadatti表示。此前人們普遍的印象是數(shù)字電源多以對(duì)成本不敏感的高端應(yīng)用為主，然而Savadatti給出了不同的意見：“我們當(dāng)前也在給中低端的服務(wù)器市場(chǎng)OEM提供數(shù)字電源產(chǎn)品，我們還為圖形卡制造商批量提供產(chǎn)品，這些圖形卡最終是用到臺(tái)式電腦中?！倍鴩?yán)宗福也指出：“盡管當(dāng)前主要仍是一些大公司利用數(shù)字電路技術(shù)設(shè)計(jì)電源來提升電源的性能，但隨著更多的大公司逐漸把這項(xiàng)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)中，中小型公司看到其帶來的好處后也會(huì)逐步開始采用?！?

“數(shù)字電源產(chǎn)品應(yīng)用推廣問題的關(guān)鍵是幫助客戶了解數(shù)字電源的好處?！盨avadatti指出。iWatt銷售副總裁Gary Pinelli表示：“數(shù)字電源可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)模擬解決方案整體更低的BOM成本，一旦客戶認(rèn)識(shí)到數(shù)字電源能帶來的好處，他們將不會(huì)返回去采用模擬解決方案。”“從現(xiàn)實(shí)情況來看，市場(chǎng)成長(zhǎng)將由設(shè)計(jì)工具的質(zhì)量與控制器解決方案的性價(jià)比推動(dòng)?！?嚴(yán)宗福進(jìn)一步指出。



IC設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)

“傳統(tǒng)模擬電源廠家在開始設(shè)計(jì)數(shù)字電源時(shí)，要面對(duì)的挑戰(zhàn)是如何把數(shù)字及模擬技術(shù)整合在一起，還涉及到軟件的編寫，這些技術(shù)都需要花一定的時(shí)間才能掌握好?！眹?yán)宗福指出。傳統(tǒng)的模擬電源集成電路設(shè)計(jì)公司面臨的挑戰(zhàn)是更高的集成度以及缺乏處理混合信號(hào)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，即使全數(shù)字電源IC依然包含大量的模擬電路，數(shù)字工程師并不熟悉模擬設(shè)計(jì)，而模擬設(shè)計(jì)工程師也不熟悉高密度的數(shù)字設(shè)計(jì)?！斑@迫使不同領(lǐng)域的工程師合作，這對(duì)于電源管理IC的設(shè)計(jì)與開發(fā)來說是全新的領(lǐng)域?！?Ahmad Ashrafzadeh表示。
在電源系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)下，對(duì)電源的狀態(tài)控制和了解要求也越來越高，從模擬控制轉(zhuǎn)到數(shù)字控制面臨很多挑戰(zhàn)?！笆紫仁琼憫?yīng)速度或帶寬的問題。模擬控制對(duì)信號(hào)狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時(shí)的，而數(shù)字控制電路是一個(gè)采樣系統(tǒng)，涉及到延時(shí)問題，這就需要CPU和ADC等有很高的計(jì)算速度；其次，可靠性成為新的問題，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)習(xí)慣模擬設(shè)計(jì)可靠性，變成數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)如何提高并保證可靠性，他們不知道怎么面對(duì)。” TI C2000 DSP控制器經(jīng)理譚徽指出?！拔覀冏钪饕脑O(shè)計(jì)目標(biāo)是使產(chǎn)品電源性能表現(xiàn)更優(yōu)異，即能支持高達(dá)2MHz的開關(guān)頻率，以及達(dá)到20%開關(guān)頻率的閉環(huán)回路頻寬(代表瞬時(shí)響應(yīng)速度)，同時(shí)將外部零件數(shù)目和耗電量減至最少。這些性能均需要結(jié)合數(shù)字與模擬設(shè)計(jì)的專業(yè)技能?！眹?yán)宗福表示。

Ahmad Ashrafzadeh認(rèn)為，在數(shù)字電源解決方案中大量使用的數(shù)字電路迫使利用小尺寸的工藝來保持小的硅片面積以及成本效益，模擬單元利用這些小尺寸工藝通常難以獲得高的質(zhì)量，例如良好匹配的高阻值電阻、用于偏置和基準(zhǔn)的高質(zhì)量雙極晶體管。因此，要獲得高性能、高精度的數(shù)字電源管理集成電路在設(shè)計(jì)和制造上都具有挑戰(zhàn)性。



應(yīng)用沒有難度

“業(yè)界對(duì)數(shù)字電源技術(shù)缺乏了解，在工程師中存在一種誤解，他們認(rèn)為數(shù)字電源很復(fù)雜，需要大量的設(shè)計(jì)培訓(xùn)，需要很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期來對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行定制。” Savadatti表示，“與傳統(tǒng)的模擬電源相比，數(shù)字電源的應(yīng)用設(shè)計(jì)并沒有真正的技術(shù)挑戰(zhàn)。”

工程師普遍對(duì)數(shù)字電源的理解是需要大量的信息交互和軟件編程，這對(duì)于長(zhǎng)期從事模擬硬件設(shè)計(jì)的電源設(shè)計(jì)工程師來說具有極大的挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，數(shù)字電源提供商通常提供了簡(jiǎn)單直觀的圖形用戶界面(GUI)來幫助工程師解決這些顧慮。嚴(yán)宗福指出：“我們的數(shù)字電源產(chǎn)品配套提供了用戶友好的固件與GUI，工程師無須深入掌握固件寫入技術(shù)。” Primarion公司也提供了類似的GUI工具，“利用最新一代的GUI，甚至即使對(duì)數(shù)字電源技術(shù)并不熟悉的工程師也可以輕松地按照計(jì)算機(jī)屏幕上指示的步驟，通過選擇參數(shù)來對(duì)輸出電壓、電流、故障、環(huán)路補(bǔ)償?shù)腜ID系數(shù)以及其他關(guān)鍵特性進(jìn)行編程設(shè)定。”Savadatti指出。



關(guān)注中國(guó)市場(chǎng)

除了TI、Maxim等半導(dǎo)體行業(yè)巨頭外，像Primarion、Slicon Labs、iWatt和Zilker Labs這些在數(shù)字電源行業(yè)領(lǐng)先的企業(yè)，對(duì)于國(guó)內(nèi)大部分電源設(shè)計(jì)工程師來說還比較陌生。然而，這種情況正在發(fā)生改變。在2007年年初的中國(guó)國(guó)際集成電路展(IIC)上，這些全球主要的數(shù)字電源企業(yè)悉數(shù)參加，他們通過現(xiàn)場(chǎng)展示和研討會(huì)向中國(guó)工程師宣揚(yáng)了數(shù)字電源對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的變革和好處，獲得了與會(huì)工程師的廣泛關(guān)注。

“數(shù)字電源產(chǎn)品在中國(guó)有廣泛的潛在用戶，比如深圳華為和中興，他們很多產(chǎn)品適合采用數(shù)字電源解決方案?！盨avadatti指出，“對(duì)于這些潛在客戶來說，最大的銷售障礙在于讓他們了解數(shù)字電源將給他們的產(chǎn)品帶來性能、價(jià)格等方面的優(yōu)勢(shì)。”據(jù)悉，目前已經(jīng)有部分臺(tái)灣地區(qū)的廠商采用了數(shù)字電源技術(shù)，其中包括技嘉、華宇和廣達(dá)。

一些主要的數(shù)字電源半導(dǎo)體公司近年來紛紛加大了對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的關(guān)注和銷售力度。其中，Primarion公司于去年與本土專業(yè)分銷商中電華星公司簽約，以加強(qiáng)在大陸地區(qū)的產(chǎn)品銷售工作；Zilker Labs于去年在香港成立第一個(gè)亞洲分公司，并與TLG Electronics公司簽約授權(quán)中國(guó)地區(qū)的分銷業(yè)務(wù)；iWatt在大陸設(shè)立銷售辦事處，并通過駿龍科技代理銷售其所有產(chǎn)品。

From：中國(guó)IC數(shù)據(jù)網(wǎng)