电源系统的数字化时代到来了吗

2007-10-16 09:22:29来源: 电源世界

目前音频、视频、影像、通信、网络等领域都逐步实现了数字化,这股浪潮也波及到以模拟技术为主导的电源系统领域,“数字电源”开始受到业界关注,一些老牌半导体厂商以及新兴的IC供应商率先投入到这个新的竞技场。TI、Microchip、Zilker Labs、iWatt、Silicon Labs等公司纷纷推出各自的数字电源产品。此外,一些市场调研机构也对数字电源的前景表示乐观,据Darnell的数据显示,2006年全球数字电源芯片市场为1.69亿美元,预计2010年将达到7.96亿美元,年复合增长率为36.4%。

对于数字电源这个“新生”事物,业界不仅有热情的掌声,同时也不乏质疑的声音:电源系统真的需要数字控制吗?为什么要采用数字电源管理?模拟阵营的拥戴者认为,与数字方案相比,模拟设计的成本更低,现代的模拟实现方法实际上表现更为出色。

事实上,数字与模拟这两种技术并非针锋相对,很多情况下二者甚至是互补的。在电源设计领域,模拟技术的优势依然存在,而数字技术的价值也会根据不同的电源应用而有所差异,例如,简单的可通过业界标准协议(如PMBus)实现控制与配置;复杂的可借助引擎处理能力,采用结构化的动态工作模式提高电源可靠性及效率。

通过取长补短、恰当结合这两种核心技术,电源解决方案会更加优化、丰富。TI公司亚太区电源产品技术总监严宗福就表示:“借助数字电源解决方案,TI扩展了电源管理产品系列。我们认为模拟与数字电源管理解决方案将在今后多年内长期共存。”美国国家半导体亚太区电源管理产品市场总监黄汉基也指出:“未来几年内模拟控制与数字控制这两种不同的技术将会在市场上各据一方。”

数字电源vs.模拟电源

数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合,模拟电源产品可能更具优势;而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的复杂高性能系统应用中,数字电源则具有更大的优势。例如数据(服务器、存储和UPS)、通信(3G基站、路由器)、高端工业设备、测试测量设备、医疗设备等。

在发展初期,数字电源方案难以达到模拟设计的高效率,而现在已有一些数字方案能够达到甚至超越模拟方案的效率,并且易于使用。数字电源技术采用智能方法优化系统效率,数字控制提供了无需额外电路便可管理及监控系统内所有电源的能力。当电子系统日益复杂时,数字电源技术将会成为一种重要的工具,帮助系统设计人员优化系统性能。

“在电源领域,数字集成显然是个趋势,不过并非所有的电源技术都会向这种趋势发展。”Microchip公司安全、微控制器和技术开发部产品行销经理 Fanie Duvenhage表示,电源市场具有多样性,解决方案也各有不同,数字电源也不例外。“未来的数字电源将包括某种形式的数字控制,同时也包括模拟模块。”Duvenhage指出。

对此,Maxim公司业务经理Ahmad Ashrafzadeh也有同感,他认为,数字电源不可能在所有应用领域替代模拟电源,数字电源所能提供的特性并不是所有应用都必须具备的,而且对于一些成本敏感的应用或特殊的消费类产品,这些性能可能还是多余的。目前数字电源最适于服务器、网络交换机、路由器等要求可靠监控的产品及基础架构设备。

Intersil 公司应用工程总监Greg Miller也认为数字电源管理是通信/工业领域最重要的电源技术趋势。不过,他不同意一些人提出的数字控制理论。“在数字IC与电源管理IC的接口部分采用数字电路能提升效率,但是在电源管理IC内部我们不赞成采用数字控制,我们认为模拟控制能实现更小的芯片尺寸和功耗。”Miller表示。 Zilker Labs公司行销副总裁Jim MacDonald也指出,模拟电源器件仍将是电源管理市场的重要部分。

目前在整个市场中数字电源技术所占的比例还很小,不过,随着越来越多的系统开发商采用这种技术,数字技术似乎正在成为电源系统设计的新趋势。Intersil的Miller 认为,模拟与数字电源解决方案会跨越不同领域共存,但数字电源方案会逐步普及并拿走模拟方案的市场份额,数字电源最终会成为电源市场的重要区域。

模拟技术+DSP/MCU成为主要趋势,应用方案向消费领域渗透

更高集成度、更快瞬时响应以及更大灵活性是数字电源的主要优势。通常情况下,模拟PWM架构能够提供较高分辨率,但无法实现数字控制架构所具备的输出电压监视、通信及其它复杂控制功能;而对于数字PWM,为了达到与模拟控制架构同等的性能指标必须具备高分辨率、高速和线性ADC,以及高分辨率、高速PWM电路,因而与模拟控制架构相比,数字控制架构的成本将大幅增加。综合考虑两者优势,Maxim公司的Ashrafzadeh认为,最佳方案是将模拟PWM与数字电路相结合,在不牺牲模拟控制所具备的精度和无限分辨率的情况下,提供数字控制所具有的全部性能。

在数字控制器方面,目前的方案分为固定功能硬件和DSP两大类,两者各有优缺点。固定功能的硬件解决方案体积小、速度快、成本低,但是缺乏灵活性;DSP方案灵活性高,但是体积大、成本高、速度慢,需要很长的软件学习过程。相对而言,DSP控制的电源采用数字滤波方式,较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。当前,TI、飞思卡尔、Silicon Labs的数字电源控制器均采用模拟技术与DSP相结合的策略。

实际上,在UPS、逆变电源和马达控制等领域,很早就有采用通用DSP进行控制。目前的数字电源芯片很多都是采用DSP或MCU针对电源应用进行一系列功能和接口的优化。例如,TI的数字电源解决方案Fusion Digital Power中用于AC/DC电源的UCD9501,就是源于其DSP产品TMS320。除了提供DSP控制的数字电源IC,TI还有MCU控制的数字电源 IC。

而Zilker Labs则汲取了模拟电源解决方案的高性能、高效率和速度快以及数字电源解决方案的高灵活性、可扩展和高度可控制的优势,开发出创新的混合信号电源技术。该公司推出的第一款品牌产品ZL2005,就使数字电源解决方案达到了模拟电源解决方案的高效率。

此外,美国国家半导体的几款电源管理芯片如LM3370、LP3957及PowerWise电源管理单元LP5550也都将适当比例的模拟及数字电路集成一起,以帮助客户提高产品价值。“内建高效能数字控制电路的高集成度模拟电源管理芯片将会被电源供应系统广泛采用。”该公司亚太区电源管理产品市场总监黄汉基指出。

目前大多数数字电源方案在价格方面略高于模拟方案,因而现阶段数字电源被认为更适合于高端系统,而且高端系统能够更好地利用数字电源的特性。“不过,这种价格差距正在逐渐缩小。”Intersil公司的Miller表示,在一些需要电源管理的应用中,数字电源解决方案的成本并不高于传统模拟解决方案。

Zilker Labs公司的MacDonald也认为:“数字电源解决方案所需的元件远少于模拟解决方案,它免除了对电压边限与监控元件、排序/跟踪 IC 或温度传感器的需要。因此与全模拟解决方案相比,数字电源解决方案的体积更小、成本更低。”

高集成度和灵活性是数字电源的主要特点,为满足复杂的电源系统需求,数字电源已经开始应用在移动通信设备、白色家电、车载设备、便携式娱乐设备等系统中。如果方案成本能够进一步下降,那么对于其他消费电子领域,数字电源同样具有应用潜力。“随着工艺的改进和技术演进,未来我们会把数字电源产品推向消费电子领域。”Zilker Labs公司的MacDonald表示。

设计人员面临数字化挑战,应用普及尚待时日

数字电源技术为电源设计开辟了新的技术领域。软件、工具、电源通信技术的标准化以及控制器解决方案的性价比等都将影响数字电源技术的推广速度。具体而言,目前数字电源的应用普及还存在以下挑战。

首先是标准化问题。通信总线与接口的标准化、可编程平台的标准化、以及内核与周边器件协议管理的标准化是数字电源管理实现规模商用的主要挑战之一。

其次,认为数字电源需要高端DSP才能实现的这种看法也阻碍了数字控制技术在电源领域的发展。“数字电源方案不仅仅适于高端和复杂的应用,小型的微控制器,例如Microchip的PIC10F系列,价格很低并能增强(或简化)一些基础电源的模拟设计。”Microchip公司产品行销经理 Duvenhage介绍。

第三个主要挑战是软件设计。Zilker Labs公司的MacDonald认为,数字电源技术给电源系统设计人员带来的挑战是需要学习新的电源设计方法。基于DSP和处理器的数字电源IC迫使电源设计人员不得不学习新的软件技术,从而产生了为采用数字电源控制优势而必须克服的巨大障碍。针对这种情况,Zilker Labs开发出Digital-DC产品,“这些产品使电源设计人员能够按照他们过去的方式配置电源IC,并提供可利用简单图形用户接口(GUI)轻松修改任何预配置设置的方式,因此能使他们利用数字电源控制的所有优势。”MacDonald表示。

此外,TI也正在采取一些措施来降低数字电源设计门槛,TI数字产品还将配套提供用户友好型固件与GUI,以帮助设计人员开发数字电源解决方案,并专门开设了一个数字电源的网页,为工程师提供参考设计,其中包括软件和硬件,以缩短数字电源产品的开发周期。

“大多数对数字电源感兴趣的设计者期待的是控制输出电压的能力;跟踪、定序以及获取元件的反馈;用这些诊断功能跟踪整个系统的完好状况。”Maxim的 Ashrafzadeh说道。为此,Maxim提供免费GUI,用于控制MAX8688。不需要数字控制理论或者如何编写软件/固件的知识,任何工程师可以使用这个GUI软件和MAX8688芯片来实现一个数字可编程电源。这对于不愿意放弃以往设计而冒险设计全新架构的工程师和系统设计师来说,带来极大的便利。

不过,Microchip公司的Duvenhage认为,尽管有很多GUI可作为设计基础,但重要的是工程师要学习微控制器的基本操作,以确保能够理解和调试数字设计的内部构件。为此Microchip网站开办一个新的电源中心来为使用数字以及模拟回路的模拟电源设计者提供帮助。 Intersil公司的Miller也表示,Intersil将开发出易用的软件GUI以及各种带有PMBus接口的PWM控制IC,这些产品都带有传统的模拟控制回路和全数字回路,为设计人员提供便利条件。

电源设计人员希望数字电源技术能提供灵活性极高的电源控制IC,这种IC可轻松配置,适于多种应用,而且设计人员无需学习新的编程语言或放弃先前已习惯的相同性能及可靠性。对此,iWatt公司行销副总裁Doyle Slack表示:“我们的产品集成了数字控制算法,无需控制器编程,因而对于电源系统设计人员不会造成困难。”而TI也推出不需软件编程的负载点系统数字电源控制器,其负载点数字电源管理功能支持电信和数据业务的应用。

和其他新兴技术的发展轨迹相似,在数字电源技术的普及过程中,初期该技术会首先应用于一些高端市场当中,当工程师对这项技术逐步熟悉之后,就会将其更多地用于消费类产品中。在开发具有更高性能的新设备时,设计人员会遇到与目前高端应用相似的电源管理问题,随着系统愈加复杂,数字电源也将得到更加广泛的应用。

关键字:芯片  控制  模拟  协议

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