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数字电源开启电源管理新领地


http://www.sina.com.cn 2006年02月14日 11:11 中国电子报

  -本报记者 罗翠钦

  编者按:数字电源是近期电源管理领域广为关注并颇具争议的话题。本期专辑邀请IC领域的知名厂商,就数字电源的热点话题展开探讨,包括数字电源的定义、特点、优势劣势、未来前景及厂商方案等几个方面,TI、Silicon Labs与Linear的观点代表了两种不同的声音。

  数字电源:DSP与模拟技术的新结合点

  TI公司中国区模拟产品销售总监王剑:

  电源系统设计人员面临的压力日益增大,必须应对管理更复杂的电源要求,如针对更广泛的负载、更低的输出电压以及多种电源同步进行管理,实现更高的效率。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性,具备直接监控、处理并适应系统条件的能力,能够满足任何复杂的电源要求。此外,数字电源还可通过远程诊断确保持续的系统可靠性,包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。

  数字电源有什么好处?它首先是可编程的,比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。另外,数字电源具有高性能和高可靠性,非常灵活,成本也比较低。AC-DC等一些大功率电源有两个发展趋势,一个是往模块电源发展,一个是实现智能电源控制。

  TI认识到在电源中模拟与数字组件优化组合的必要性,推出数字电源的系列新产品Fusion Digital Power解决方案,包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列辅助器件。

  数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。UCD9K无论是控制还是通信接口都是采用数字方式,可以说是带有闪存的DSP,采用的是0.18微米工艺;UCD7K与UCD8K的核心部分都采用模拟电源的方式,外围接口则采用数字方式,工艺为传统的模数混合工艺,即高压BiCMOS工艺。三种器件的应用领域包括从AC线路到负载点应用的电源系统,如电信设施、不间断电源、计算机服务器以及数据中心电源系统。

  数字电源会对模拟电源有多大的冲击?在简单易用、参数变更要求不多的的应用场合,模拟电源产品更具优势,因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现,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、复杂的高性能系统应用中,数字电源则具有优势。

  数字电源是TI不断壮大的高性能产品线中具有战略意义的一部分。除了提供DSP控制的数字电源IC,TI还具有MCU控制的数字电源IC。相对来讲,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。目前市场已经开始有应用,未来数字电源将会有更快发展。

  产品链接

  Fusion Digital Power系列的3种产品既能相互匹配使用,又可以根据应用复杂程度、响应速度的不同单独使用。其中,UCD9K作为数字电源控制器,核心采用28x系列DSP,可关闭多个环路,同时控制3路或4路PMW,具有150ps数字PWM分辨率。它还提供数字通信与监控功能,有助于实现复杂的电源转换,包括多相位控制、非线性控制、负载均流以及故障预测等(这些功能在完全模拟的应用中都难以实现)。UCD8K是数字电源PWM控制器,采用集成式、数字化控制的模拟PWM与驱动器;UCD7K是数字电源驱动器,将数字控制器与功率级相连。3种产品的电压输出都是可调的。软件与外设的可扩展性及重复使用性使器件可以通过改变操作参数来优化特定的电源系统。此外,还有各种开发支持工具,如TI的DSP Code Composer Studio集成开发环境和全面的数字电源管理应用参照设计,也支持集成数字电源产品。

  数字电源难以摆脱模拟电路

  Linear电源产品部总经理Steve Pietkiewicz:

  当前,数字电源已成为业界讨论热点,一些新成立的公司和已经取得牢固地位的

半导体厂商都声称数字电源比模拟为主的产品更胜一筹。他们称,新的数字电源具有更高的性能和更低的成本,将取代老式的、早已过时的模拟开关稳压器;人们将采用通用的数字CMOS工艺技术,而不再需要专有的模拟工艺技术,同时还将极大地降低成本。电源管理方式即将发生变化:要么数字化;要么请走开,别再挡路。

  “数字电源”或“数字控制电源”有几种不同的含意。

  最简单的定义是通过数字接口控制开关稳压器,这可能包括通过I2C或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序,启动、裕度控制、加电和断电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。实际上,目前市场上的很多电源管理集成电路都以这种方式工作:通过数字接口控制模拟开关稳压器。

  第二个是给前面定义加上所谓的“数字遥测”。在这种情况下,提供额外的控制功能以监视开关电源的状态,如温度、输出电流、输入电流、输入电压、输出电压等,并根据需求或周期性地向主机报告。ID标记、故障状态信息甚至时间标记事件等其他信息也可以存储在片上非易失性存储器中,并在将来某个时间报告这些信息,具有大量数字集成电路的高端系统是这类数字电源的目标市场,而较低成本的消费类产品可能不需要这样的信息。

  第三个也是最野心勃勃的数字电源含意是,用数字电路彻底取代开关稳压器中的所有模拟电路。据说这样将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调节和销售。更进一步的理由是,通过编写几行简单的代码,一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、SEPIC、反激式或正激式转换器。正是数字电源的这个含意最让我难以理解,因为从根本上来说,电源是模拟的。甚至用ADC和DSP取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关稳压器也仍然需要电压基准、电流检测电路和开关或FET驱动器。此外,电感器或变压器和电容器在实现数字电源时也是不能没有的。

  在单片DC/DC转换器中,开关设计总是会归结为一个真实世界的模拟问题。开关设计是所有开关稳压器电源供应商都必须具有的一种基本核心的能力,甚至控制器产品也有MOSFET驱动器,它们也受到相同的限制。当采用相对简单、没有几道掩模工序的工艺技术时,模拟控制电路采用相同的晶体管是设计和制造开关稳压器的最简单方式,今天更先进的工艺技术可以集成高压器件以及为数字处理而优化的高密度低压器件,但是这样的工艺需要更多的掩模,因此成本更高。

  像生活中的大多数选择一样,数字电源的选择最终也归结为经济问题。为什么不采用简单的工艺技术,只为整个开关提供高压器件?如果不必采用既能制造高压器件又能制造高密度亚微米逻辑器件的工艺技术,那么为什么非要采用这样的技术来增加自己的负担?当可以采用13个掩模的工艺流程时,为什么要使用30个掩模的工艺流程?为什么用3万门的DSP代替30个晶体管的误差放大器?采用更复杂的工艺技术制造高密度逻辑器件和高压器件,对客户有什么帮助?可重编程性被认为是数字电源的一个特点,但是大多数客户都是购买特定的集成电路来实现特定的功能。

  另外,每年有几百万个DC/DC转换器集成电路卖到多种多样的市场中,仅单片DC/DC集成电路的功率就覆盖了从毫瓦到数百瓦的范围,多家厂商提供几千种集成电路供客户选择,领域覆盖移动电话、汽车、LCD TV、基站、大型服务器及路由器的多个市场。这些市场的需求千变万化,尽管每个市场上的每个客户都希望解决方案能解决问题,但是他们很少关心集成电路是怎么完成这种任务。

  数字控制器:进入电源市场的敲门砖

  Silicon Labs公司市场经理Brett Etter:

  越来越多的厂商需要能够提供更大集成度、更高效率、更快瞬时响应和更强大可编程能力的弹性控制解决方案。数字化电源控制具备上述所有优点以及更高的系统可靠性、更强大的元器件误差和温度变动耐受能力、更短的研发时间以及固有的成本优势,适用于服务器、有线/无线数据通讯和电信系统、

液晶和电浆电视以及工业与医疗设备的电源系统。

  交换式电源供应的数字控制回路解决方案可分为固定功能硬件和DSP两大类,它们各有自己的优缺点。固定功能的硬件解决方案虽然体积小、速度快和成本低,但是缺乏弹性;DSP解决方案拥有极好的弹性,但是体积大、成本高、速度慢,需要很长的软件学习过程。

  Silicon Labs综合此两方面的优势,以更高水平的瞬时响应、电源密度、输出功率和电源效率目标,推出首批的数字化电源控制器Si8250,借此进入电源市场。Si8250独特架构包含主要回路控制所需的硬件DSP和负责执行系统管理功能的辅助微控制器,这使它兼具DSP和固定功能硬件解决方案的优点,故可以简化系统设计、降低成本和节省空间。

  交换式电源供应控制器市场的年销售量估计为5亿颗。Si8250已被市场接受,并有许多设计正在进行中。Silicon Labs已提供许多开发套件供客户评估和研发使用,例如Astec已推出一款采用Si8250的产品,未来还会有更多产品陆续出现。

  产品链接

  Si8250全数字化电源控制解决方案,结合DSP的弹性以及固定功能数字硬件控制的成本效益和速度,提供所有必要的控制和保护功能,可用来为隔离式和非隔离式电源供应发展高度智能型和响应快速的电源供应与管理控制系统。Si8250内含高带宽回路控制所需的专属可编程DSP滤波器引擎和DPWM,另外还有50Mips 8051和32K可在线烧录(ISP)闪存与12位、200Ksps的自扫描式模拟数字转换器,可用来管理开机、关机、故障侦测和复原等,有别于其他的模拟系统通常必须由外部硬件提供的这些功能。Si8250这些功能使它能提供一套体积小、成本低、易于使用和功能强大的数字控制解决方案。专属高速硬件和闪存式微控制器的结合让它同时具备纯硬件解决方案的效能以及DSP的可编程弹性。Silicon Labs还为Si8250提供一套容易使用的工具,它能利用使用者现有的S域设计方法并将数字化电源设计的学习难度减至最少。

  记者观察

  数字电源市场前景诱人 新老厂商开疆拓土

  -罗翠钦

  随着电子设备的功能越来越复杂,业界开始转向数字控制的电源管理,数字电源是电源管理发展的新思路。对于“数字电源”这一新名词,业界还没有统一的定义,但都是围绕电源的数字管理和控制说事儿。主攻方向为服务器、有线/无线数据通讯和电信系统、工业与医疗设备等应用市场。

  TI、飞思卡尔、Silicon Labs、Atmel等IC厂商都非常看好数字电源的未来市场,并率先投入到这一新的竞争领域。TI将其可编程数字技术与模拟技术结合推出了Fusion数字电源解决方案;飞思卡尔56F8000系列数字控制器宣称应对高

性价比、高效率需求。一些新进入者把数字电源视为未来发展的极好机会,Silicon Labs欲以数字电源为跳板进入电源管理领域。另外,Atmel、Zilker Labs也宣布加入到数字电源的竞争行列中。

  数字电源何以区别传统模拟电源?专家称,数字控制器解决方案可分为固定功能硬件和DSP两大类,它们各有自己的优缺点。固定功能的硬件解决方案虽然体积小、速度快和成本低,但是缺乏弹性;DSP解决方案拥有极好的弹性,但是体积大、成本高、速度慢,需要很长的软件学习过程。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,其产品已被客户采用,他们相信未来市场将会有更快更好的发展。

  除了这些IC厂商,嗅觉灵敏的调研公司也对此给予极大关注。据市场研究机构Darnell Group估计,AC/DC和DC/DC电源转换的市场价值将在2009年达到174亿美元。iSuppli公司电源IC分析师则表示,30年前电源行业开始转向开关模式电源MOSFET,这是一个很大的变化,而现在电源数字化趋势可能是更大的变化。

  更大集成度、更高效率、更快瞬时响应及更高灵活性成为数字电源广受青睐的理由。然而,对于这一新兴事物,业内人士也有不同看法。著名电源管理IC厂商Linear称,成本、性能成为客户的重要选择指标,与模拟解决方案相比,数字电源成本偏高,而性能也没有体现什么优势,因而其处境尴尬。Databeans模拟分析师也表示,数字电源目前的主要问题是电源工程师还不习惯编程。

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