數(shù)字電源――一個(gè)模擬公司的觀點(diǎn)

    現(xiàn)在到處都在談?wù)摂?shù)字電源。新成立的公司和已經(jīng)取得牢固地位的半導(dǎo)體廠商都聲稱數(shù)字電源（或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，是數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源管理集成電路）比模擬為主的產(chǎn)品更勝一籌。他們說(shuō)，新的數(shù)字電源具有更高的性能和更低的成本，將取代老式的、早已過(guò)時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。人們將采用通用的數(shù)字CMOS工藝技術(shù)，而不再需要專有的模擬工藝技術(shù)，同時(shí)還將極大地降低成本。電源管理方式即將發(fā)生變化：要么數(shù)字化；要么請(qǐng)走開(kāi)，別再擋路。

    我們先花點(diǎn)時(shí)間來(lái)琢磨一下這個(gè)詞。“數(shù)字電源”或“數(shù)字控制電源”有幾種不同的含意。最簡(jiǎn)單的定義是通過(guò)數(shù)字接口控制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。例如，這可能包括通過(guò)I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率或多通道電源的排序。啟動(dòng)、裕度控制、加電和斷電排序等等都可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)控制。這用今天的技術(shù)是非常容易實(shí)現(xiàn)的，而且實(shí)際上，目前市場(chǎng)上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作：通過(guò)數(shù)字接口控制模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

    第二個(gè)更復(fù)雜的含意是給第一個(gè)定義加上所謂的“數(shù)字遙測(cè)”。在這種情況下，提供額外的控制功能以監(jiān)視開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)，如溫度、輸出電流、輸入電流、輸入電壓、輸出電壓等，并根據(jù)需求或周期性地向主機(jī)報(bào)告。ID標(biāo)記、故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記事件等其它信息也可以存儲(chǔ)在片上非易失性存儲(chǔ)器中，并在將來(lái)某個(gè)時(shí)間報(bào)告這些信息。具有大量數(shù)字集成電路的高端系統(tǒng)是這類數(shù)字電源的目標(biāo)市場(chǎng)，而較低成本的消費(fèi)類產(chǎn)品可能不需要這樣的信息。

    第三個(gè)、也是最野心勃勃的數(shù)字電源含意是，用數(shù)字電路徹底取代開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的所有模擬電路。據(jù)說(shuō)這樣將使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器更容易設(shè)計(jì)、配置、穩(wěn)定、調(diào)節(jié)和銷售。更進(jìn)一步的理由是，通過(guò)編寫(xiě)幾行簡(jiǎn)單的代碼，一個(gè)核心數(shù)字電源集成電路就可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器。正是數(shù)字電源的這個(gè)含意最讓我難以理解，因?yàn)閺母�本上�?lái)說(shuō)，電源是模擬的。甚至用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測(cè)電路和開(kāi)關(guān)或FET驅(qū)動(dòng)器。這些組件只能是模擬的，而且任何形式的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都不能去掉這些組件。ADC也是這樣，模擬性大于數(shù)字性。此外，電感器或變壓器和電容器在實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源時(shí)也是不能沒(méi)有的。

    在單片DC/DC轉(zhuǎn)換器中，開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)總是會(huì)歸結(jié)為一個(gè)真實(shí)世界的模擬問(wèn)題。例如，與關(guān)鍵電場(chǎng)和電流密度有關(guān)的問(wèn)題不會(huì)讓它們至高級(jí)軟件語(yǔ)言編程的非實(shí)際水平。無(wú)論是MOS還是雙極型，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，它一定會(huì)流過(guò)電流并有一點(diǎn)壓降。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，它一定會(huì)切斷電壓，同時(shí)流過(guò)一點(diǎn)或沒(méi)有電流。這些是模擬的、真實(shí)世界的物理屬性，而且開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)是所有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源供應(yīng)商都必須具有的一種基本核心的能力，甚至控制器產(chǎn)品也有MOSFET驅(qū)動(dòng)器，它們也受到相同的限制。過(guò)去，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)師們根據(jù)所需開(kāi)關(guān)性能選擇特定的工藝技術(shù)。能夠工作在40V的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器顯然需要能夠工作在40V的晶體管技術(shù)。當(dāng)采用相對(duì)簡(jiǎn)單、沒(méi)有幾道掩模工序的工藝技術(shù)時(shí)，模擬控制電路采用相同的晶體管是設(shè)計(jì)和制造開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的最簡(jiǎn)單方式，今天更先進(jìn)的工藝技術(shù)可以集成高壓器件以及為數(shù)字處理而優(yōu)化的高密度低壓器件，但是這樣的工藝需要更多的掩模，因此成本更高。

    像生命中的大多數(shù)選擇一樣，數(shù)字電源的選擇最終也歸結(jié)為經(jīng)濟(jì)問(wèn)題：為什么不采用簡(jiǎn)單的工藝技術(shù)，只為整個(gè)開(kāi)關(guān)提供高壓器件？如果不必采用既能制造高壓器件又能制造高密度亞微米邏輯器件的工藝技術(shù)，那么為什么非要采用這樣的技術(shù)來(lái)增加自己的負(fù)擔(dān)？當(dāng)可以采用13個(gè)掩模的工藝流程時(shí)，為什么要使用30個(gè)掩模的工藝流程？為什么用3萬(wàn)門(mén)的DSP代替30個(gè)晶體管的誤差放大器？客戶益處在哪里？凌特公司出售很多能工作在25V、36V、40V或60V輸入的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品。

    這些產(chǎn)品大多數(shù)都是模擬設(shè)計(jì)的，它們滿足了客戶的需求。盡管可以采用更復(fù)雜的工藝技術(shù)制造高密度邏輯器件和高壓器件，但是這對(duì)客戶有什么幫助？可重編程性被認(rèn)為是數(shù)字電源的一個(gè)特點(diǎn)，但是大多數(shù)客戶都是購(gòu)買(mǎi)特定的集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。例如，如果一個(gè)汽車行業(yè)的客戶需要一個(gè)40V至3.3V的轉(zhuǎn)換器，他不會(huì)希望或在乎能否制造出同樣的集成電路，將3.3V轉(zhuǎn)換成40V。

    每年有幾百萬(wàn)個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器集成電路賣到多種多樣的市場(chǎng)中。僅單片DC/DC集成電路（其電源開(kāi)關(guān)或多個(gè)開(kāi)關(guān)與控制電路位于同一芯片上）的功率就覆蓋了從毫瓦到數(shù)百瓦的范圍。輸出電流從幾mA到100A，輸出電壓從低于1V到330V。多家廠商提供幾千種集成電路供你選擇。凌特公司制造很多種DC/DC產(chǎn)品，銷售到從移動(dòng)電話、汽車、LCDTV、基站、大型服務(wù)器到路由器的多個(gè)市場(chǎng)。這些市場(chǎng)的需求千變?nèi)f化，盡管每個(gè)市場(chǎng)上的每個(gè)客戶都希望解決方案能解決問(wèn)題，但是他們很少關(guān)心集成電路是怎么完成這種任務(wù)。集成電路制造商和大學(xué)發(fā)表的一些數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)方案是非常有趣的技術(shù)成就，但是現(xiàn)代模擬實(shí)現(xiàn)方法實(shí)際上表現(xiàn)得更好。

    凌特公司一年又一年地生產(chǎn)市場(chǎng)領(lǐng)先的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品，因?yàn)榱杼負(fù)碛泻芏喔挥薪?jīng)驗(yàn)的工程師，他們都有幾十年的高性能模擬器件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。客戶選擇凌特公司的產(chǎn)品是因?yàn)楫a(chǎn)品性能好，他們并不關(guān)心這些產(chǎn)品內(nèi)部是模擬的還是數(shù)字的。盡管凌特公司電源產(chǎn)品的數(shù)字成份每年都只是適度增加，但是我們會(huì)保持住自己的領(lǐng)先地位，即使“數(shù)字電源”的大部分成份都是模擬的也一樣。