電源技術不斷創新 數字電源開辟新天地

過去數十年來，全為模擬技術掌控的電源|穩壓器管理世界，現在正開始融入數字技術。“數字電源”開始受到業界關注，一些老牌半導體廠商以及新興的IC供應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字電源產品。此外，一些市場調研機構也對數字電源的前景表示樂觀，據Darnell的數據顯示，2006年全球數字電源芯片市場為1.69億美元，預計2010年將達到7.96億美元，年復合增長率為36.4%。iSuppli公司電源ic分析師Chris Ambarian表示，30年前電源行業開始轉向開關模式電源MOSFET，這是一個很大的變化，而現在電源數字化趨勢可能是更大的變化。

　　數字電源 Vs. 模擬電源 合適就好

　　對于數字電源這個“新生”事物，業界不僅有熱情的掌聲，同時也不乏質疑的聲音：電源系統真的需要數字控制嗎？為什么要采用數字電源管理？模擬陣營的擁戴者認為，與數字方案相比，模擬設計的成本更低，現代的模擬實現方法實際上表現更為出色。

　　就讓我們先了解一下什么是數字電源管理，嚴格來說數字電源管理必須分成兩個層面，一是功率轉換部分，另一是控制回路部分，功率轉換負責決定要輸出的電壓準位，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行修正。

　　以數字方式實現、操作“功率轉換”其實已不是新鮮事，許多CPU都能動態輸出一組數字數值，告知供電系統CPU目前需要何種準位的工作電壓，供電系統接收到數值后就會對應調整輸出電壓，這樣的技術已運用多年，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，透過誤差信號的放大器、參考電壓、電壓比較器、運算放大器等來穩定供電輸出，而今日提出的數字作法，是將誤差信號透過模擬數字轉換器（ADC）轉換成數字數值，再將數值傳遞給微控制器（MCU）或數字信號處理器（DSP），由MCU /DSP進行運算，運算后再由MCU /DSP對輸出電壓進行調整修正，以此來控制輸出，更具體而言此當稱為數字供電控制（Digital Power Control）。

　　所以，目前業者力推的數字電源管理方案也必須進一步理清，有些業者推行的是功率轉換部分的數字化，但控制回路部分仍采模擬設計，另一種則是兩個部分都以數字化方式設計，現在功率轉換部分使用數字方式已是共識，但控制回路的部分就產生了諸多爭論，因為控制回路以數字方式實現有其利弊，并非一切特性都優越于傳統模擬方式。

　　先說明模擬，模擬控制回路的好處是設計簡單、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、補償原理容易理解、已歷經多年實證、沒有系統性抖動的問題。缺點是無法進行較細膩的供電監控（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，數字控制回路的好處就是能進行各項細節監控（溫度、偏差、過電流等）、能用較模擬低廉的成本來實現控制演算、改變轉換功率只要事先將條件寫入控制程序內即可達成，或者是透過程序更新來達成，總之都不需要修改設計電路即可完成改變（避免產品要召回修改）。

　　當然，數字作法的缺點就是較貴的成本、較復雜的設計（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）、ADC準備額外的工作電壓、有抖動問題、實證尚少、補償作法較復雜等。

　　也因為數字方式比較靈活，所以在功率轉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，當負載過輕過重時轉換效率就會降低，而無法動態調整因應。反過來，數字方式需要高速取樣、高分辨率的ADC，以及高運算效率的MCU或DSP，如此會增加控制回路的用料成本。

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

　　事實上，數字與模擬這兩種技術并非針鋒相對，很多情況下二者甚至是互補的。在電源設計領域，模擬技術的優勢依然存在，而數字技術的價值也會根據不同的電源應用而有所差異，以模擬控制架構為例，其內部脈寬調制電路即包含了數字電路，例如：時鐘、門電路等。三十年后，數字脈寬調制(PWM)成電路同樣也包含了明顯的模擬電路，如：ADC、基準源、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前可以利用的技術和系統需求有關。因此，當前的劃分標準可能不同于將來的標準。對于選擇數字電源還是模擬電源這個問題，其原則應該是“合適就好”。

　　數字電源新品迭出

　　數字電源解決方案具有多大吸引力，這可以從眾多供應商紛紛宣布推出產品當中一目了然。

　　TI 新一代數字電源控制器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，進一步升級當今電源系統管理的智能化程度。這種全配置且功能豐富的電源管理產品，實現了對多達四個獨立數字控制環路和八種相位的數字化管理，同時還將輕負載條件下用電效率提高了30%。

　　TI的四通道輸出多相位UCD9240電源系統控制器采用250皮秒分辨率的數字脈寬調制(PWM)技術，并可通過圖形用戶接口(GUI)進行全面配置，實現對DC/DC負載點電源轉換進行監測、控制與管理。GUI配置功能使設計人員能夠對電源電壓、電流閾值與響應、軟啟動、容限、排序、跟蹤、相位管理、環路響應、風扇控制以及其它眾多參數和功能進行全面的智能管理。

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

　　TI提供種類繁多的數字電源IC產品，以便在簡單易用的可視開發環境中以高系統智能與性能實現電源系統的數字控制。從Fusion Digital Power系列的UCD9K與UCD7K控制器和電源驅動器到基于DSP的全面可編程高性能TMS320F28x控制器，TI數字電源解決方案針對多種應用領域進行了優化，從負載點到高功率AC/DC轉換器等無所不包。

　　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，這款產品是其可編程數字電源轉換和電源調節集成電路產品即Primarion Di-POL(TM)系列中的最新產品

　　PX 7522是一款電源轉換和電源調節集成電路，可用于電信、數據通信、在線服務和存儲市場上的同步DC/DC轉換器中。PX 7522可以調節兩個獨立的輸出或者在單輸出模式下調節兩相輸出。 它同時支持DCR和RDSon電流傳感集成電路布局技術，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)來增強其可控制性和實時系統監控。

　　PX 7522的控制功能利用了數字技術，可以在提高輸出負荷的前提下提供合適的、穩定的和靈活的解決方案。Primarion在它上面集成了行業標準I2C PMBus串行接口，從而讓電源設計者可以迅速優化設計和監控實時系統性能。

　　用戶們可以通過Primarion公司的圖形用戶界面將PX 7522的配置數據載入、編輯和保存在芯上非易失性存儲器上。配置數據保存在集成電路上之后，控制器就可以按照設計師預先定好的設置進行實時調整，從而優化性能準確度。

　　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完成。由于全數字控制、PMBus接口和用戶友好的圖形用戶界面帶來的高度靈活性，用戶在現有系統中就可以完成對PX 7522的電源管理性能的優化工作。

　　利用這個創新而易用的解決方案，客戶們不但可以節省成本開支，還可以改善系統級性能，Primarion公司將繼續推動數字電源管理的發展，它的產品可用于電信、數據通信、在線服務、存儲器和圖像市場的集成電路廠商。

　　Zilker Labs高集成度3A電源管理與轉換IC

　　Zilker Labs日前推出整合了全數字電源管理功能的3A電源轉換單芯片解決方案。該公司表示，ZL2105將Zilker Labs的創新Digital-DC技術擴展到了低功耗應用領域中，并且在6×6毫米的小型封裝中將同步降壓轉換器(包括同步功率MOSFET)與關鍵電源管理功能進行了完美結合。具有全數字電源管理功能的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減少了50%。如同所有Digital-DC IC，ZL2105可作為數字構建塊，能夠與其它Digital-DC器件進行完美結合，以提供面向板裝電源管理與轉換應用的全面解決方案。

　　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，使用業界標準電源管理總線(PMBus)命令集可對Zilker Labs的Digital-DC產品進行全面配置。這些單芯片Digital-DC產品具有數字電源技術的可配置性、控制及監控功能，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整合在給定的應用中，設計人員只需通過引腳帶選擇對每個IC進行配置，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，并可獨立于主機控制器運行。這些器件可單獨加以監控，也可作為一個系統加以監控。

　　Silicon Labs高速、高集成度四信道數字隔離組件

　　Silicon Laboratories為進一步擴大其數字化電源產品陣容，日前推出業界高性能、容易使用和低成本的Si844x 2500VRMS數字隔離組件。這顆正在申請專利的數字隔離組件利用標準全CMOS技術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，最多還能節省一半的零件成本。Si844x的數據速率比現有數字隔離組件快五成，每個信道在100Mbps速率下耗電量還不到12mA，最適合開關電源、以太網和CAN網絡以及隔離式模擬數據擷取等應用。

　　相較于采用多顆分立組件的其它隔離技術，Si844x單芯片解決方案可以大幅簡化電路布局設計。Si844x是以一套專利架構為基礎，其所獨家采用的射頻編碼和譯碼機制不需要特別考慮或初始設定就能提供強固可靠的隔離數據路徑，這使它成為業界效能最強大的數字隔離組件。傳統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快1500倍，操作特性也不會隨著溫度、供應電壓或時間而任意改變。

　　“Si844x是Silicon Laboratories數字化電源產品線的進一步延伸，它利用專利技術提供效能無與倫比的高集成度電源解決方案。”Silicon Laboratories電源產品主管Don Alfano表示，“這顆數字隔離組件是一套符合業界標準的單芯片解決方案，它能用于任何需要電壓隔離、電壓位準轉換或接地回路消除等功能的應用，這也讓我們的電源供應客戶有更多產品可供選擇。”

　　結語

　　總之，數字電源技術為電源設計領域注入新的活力，同時也為電源設計人員帶來新的挑戰。如何在傳統技術的基礎上不斷創新，設計出滿足未來市場需求的電源系統正在成為電源設計工程師必須面對的新課題。