数字电源正逐渐从高端应用向低端应用扩展

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数字电源正在获得越来越多的认可，它满足了对高效而可靠的电源管理的新要求，这是目前的模拟解决方案无法实现的。数字电源正逐渐从高端应用向低端应用扩展。“数字电源将有望应用于成本和复杂性更低的电源转换产品中，这是由引入数字电源控制器芯片驱动的，例如Microchip公司针对数字电源转换的dsPIC数字信号控制器(DSC)”，Microchip数字信号控制器部门产品市场经理Bill Hutchings表示。他还指出，由于出现了更实用、更具成本效益、集成度更高和更易于使用的数字电源控制产品，数字电源的技术趋势正从专有电源产品和开发平台转变为大容量的标准及半定制产品。 对具有高成本效益的电源管理解决方案的需求不断增长，为能够同时解决成本和效率挑战的数字电源解决方案创造了发展空间。例如，在数据通信领域，电路板上已经出现36~40条电压轨；在计算领域，在母板上具有超过20条用于操作各种ASICS、内存和处理器芯片组的电压轨也已司空见惯。较高的复杂度要求对各种参数实现精密诊断、控制和监视。Primarion公司行销副总裁Deepak Savadatti认为，对于模拟脉宽调制(PWM)而言，上述要求超越了它们的能力。解决方案通常需要增加独立的微控制器，但这使系统成本和设计复杂性大幅提升，同时也占据了电路板上的宝贵空间。因此，当具体应用具有系统级要求并需要利用数字电源的优势时，数字电源将替代模拟电源。
目前数字电源主要应用于对可靠度及性能要求极高的应用，例如通信用的整流器、UPS等。但随着更多新功能的要求及特殊应用解决方案进入市场，PC服务器、负载点电源(POL)，甚至是多模式高效率电源上的新商机也已开始浮现。TI亚太区电源产品技术总监严宗福指出，数字电源的进一步普及还有赖于厂商提供完善的设计工具，以及客户的软件编程能力。另一方面，许多新电源的设计都要求转换效率更高、瞬时响应更快，数字电源能够很容易地根据负载变化而改变工作模式来满足新的要求，这也有助于推动数字电源的应用。
TI的数字电源解决方案包括软件及硬件两种解决方式，一种是DSP方式，利用软件来实现电源控制，另一种则通过集成MCU及加速器功能的硬件来实现电源控制。硬件数字电源解决方案(UCD91xx/92xx系列)是专为电源控制而开发，集成式的架构拥有价格上的优势。利用软件来实现数字电源解决方案则可根据客户的应用需求进行修改，价格较高但灵活性很大。
“数字电源最本质的优点就是可以让系统通过工业标准通信协议PMBus进行电源控制、设定及检测”，严宗福说。他表示，数字系统能够检测AC/DC的输入及输出电压/电流，掌握电源的工作效率；也能够预测组件损坏的可能性及进行相应处理，从而提高了系统电源可靠性，确保供电质量。从生产观点来看，客户通过修改软件或存储在内存里的设定，就能改变电源的特性以满足不同应用的要求，达到降低生产成本、减少组件数，并加快上市时间的目的。
Zilker Labs行销副总裁Jim MacDonald则指出，数字电源集成了顺序化、跟踪及输出边界调整等功能，这可以省去对增加额外电源管理器件的要求。它允许用户通过软件控制许多功能，进一步减少了所需器件的数量。这一趋势使得数字电源的电路板面积比模拟电源要小。此外，新的数字电源控制器具有额外的智能来监测负载，通过改变工作模式来优化任何负载下的效率。采用这种方法，数字电源将很有机会取代大功率嵌入式系统如电信、网络和服务器或存储系统中的模拟电源，因为这些系统的功率水平是动态变化的。
虽然采用集成在数字电路中的数字器件难以获得像模拟解决方案那么高的精确度，但对于监视和控制而言，保留了模拟电路并集成了数字电路的解决方案实际上具有比模拟方案更高的精确度，因为它们可以进行温度校正。“0.2%的精确度远比其它任何模拟或数字解决方案要高得多”，Maxim公司系统及电源管理业务总监Ahmad Ashrafzadeh强调，“此外，MAX8688器件还具有低成本和灵活特性，可满足任何系统的不同要求。操作十分简单也是我们的优势，在短短数小时内，任何工程师利用我们的图形用户界面(GUI)进行设计都可以成为一位专家。”
事实上，已有许多数字电源产品开始供应。Silicon Labs的Si8250全数字开关电源控制器，兼备DSP的灵活性和硬件控制器的快速响应能力。Zilker Labs基于其Digital-DC专利技术开发出的电源管理和转换芯片ZL2005集成了同步高效DC/DC降压控制器、自适应驱动器，以及关键的电源和热管理功能。Primarion公司新推出用于电信、数据通信、计算和存储市场的同步DC/DC转换器的电源转换和电源管理IC PX7522，较高级别的灵活性及其双输出功能和用于系统通信的PMBus兼容性将使采用该IC的OEM实现极高的成本效益。
但对于大部分模拟电源设计工程师而言，数字电源还是一种新的技术，需要一段时间才能掌握，并融合到实际的应用。另一方面，对于一些功能要求比较简单的电源设计，传统模拟电源仍然具有价格及设计上的优势。飞兆半导体公司功率模拟市场业务企划部总监Aung Thet Tu表示，传统电源工程师担心的是需要学习新的软件工具，这对半导体供应商来说是个挑战，必须提供易用的GUI和良好的培训。另一方面，现在还没有具有极高成本效益、且易于在大批量应用中使用的数字解决方案。因而从长远来看，模拟及数字电源将会在市场上同存。
作者：Nicole Chen 高级助理编辑
《电子系统设计》

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