ay: block;">數字電源作為一個“時髦”的技術詞匯近年來常常見諸于各種技術媒體,然而,對于絕大部分的國內電源設計工程師來說,它依然只是一個新鮮概念,似乎離他們的產品設計非常遙遠。在2007年前后,我們可以從一些跡象看出數字電源技術正漸行漸近,在國外高端產品中已經有大量應用的數字電源即將進入到國內部分產品設計中。在TI、Primarion和iWatt等半導體企業(yè)的推動下,數字電源技術正獲得更廣泛的關注和應用。
什么是數字電源？德州儀器亞太區(qū)電源產品技術總監(jiān)嚴宗福認為,數字電源器件必須包含可配置控制器內核,再加上一個能作為DC/DC或AC/DC電源轉換應用的集成PWM控制器,器件內部以數字形式執(zhí)行回路轉換功能；美信計算和通信電源總監(jiān)Ahmad Ashrafzadeh表示,通常認為如果可以進行通信,并能通過數字總線進行配置便是數字電源；Primarion公司營銷副總載Deepak Savadatti認為,數字電源通過串行接口擴展了監(jiān)測和控制功能,使電源設計更簡單、更靈活。這些說法描繪出了數字電源的一些特征—可配置、可監(jiān)控、設計靈活、簡單。
應用穩(wěn)定增長
在數據通信設備中,通常主板需要36到40個電壓軌；在計算行業(yè),一個主板上各種ASIC、存儲器和處理器芯片組通常需要的電壓軌超過20個。這種復雜的電源系統(tǒng)需要對各種參數進行精細的診斷、控制和監(jiān)控,而這些功能是模擬電源所不能實現的。傳統(tǒng)的解決方案通過增加分離的微控制器的方法對于降低系統(tǒng)成本、功耗、板子面積都不利,而數字電源的高度集成、設計靈活的特點能解決這些設計需求。“數字電源提供了目前模擬設計所不具備的新特性,如通信、診斷、易于升級、實時監(jiān)控等,系統(tǒng)設計人員可用這些新特性來提高電源性能。” 嚴宗福指出。
“當前對高效、可靠的電源管理的需求增長非常快,采用模擬電源解決方案難以滿足這些設計需求。” Deepak Savadatti表示。此前人們普遍的印象是數字電源多以對成本不敏感的高端應用為主,然而Savadatti給出了不同的意見:“我們當前也在給中低端的服務器市場OEM提供數字電源產品,我們還為圖形卡制造商批量提供產品,這些圖形卡最終是用到臺式電腦中。”而嚴宗福也指出:“盡管當前主要仍是一些大公司利用數字電路技術設計電源來提升電源的性能,但隨著更多的大公司逐漸把這項數字技術應用于電源設計中,中小型公司看到其帶來的好處后也會逐步開始采用。”
“數字電源產品應用推廣問題的關鍵是幫助客戶了解數字電源的好處。”Savadatti指出。iWatt銷售副總裁Gary Pinelli表示:“數字電源可以實現相對于傳統(tǒng)模擬解決方案整體更低的BOM成本,一旦客戶認識到數字電源能帶來的好處,他們將不會返回去采用模擬解決方案。”“從現實情況來看,市場成長將由設計工具的質量與控制器解決方案的性價比推動。” 嚴宗福進一步指出。
圖1:未來的數字電源系統(tǒng)。
IC設計面臨挑戰(zhàn)
“傳統(tǒng)模擬電源廠家在開始設計數字電源時,要面對的挑戰(zhàn)是如何把數字及模擬技術整合在一起,還涉及到軟件的編寫,這些技術都需要花一定的時間才能掌握好。”嚴宗福指出。傳統(tǒng)的模擬電源集成電路設計公司面臨的挑戰(zhàn)是更高的集成度以及缺乏處理混合信號的設計經驗,即使全數字電源IC依然包含大量的模擬電路,數字工程師并不熟悉模擬設計,而模擬設計工程師也不熟悉高密度的數字設計。“這迫使不同領域的工程師合作,這對于電源管理IC的設計與開發(fā)來說是全新的領域。” Ahmad Ashrafzadeh表示。
在電源系統(tǒng)數字化、智能化的趨勢下,對電源的狀態(tài)控制和了解要求也越來越高,從模擬控制轉到數字控制面臨很多挑戰(zhàn)。“首先是響應速度或帶寬的問題。模擬控制對信號狀態(tài)的反應是瞬時的,而數字控制電路是一個采樣系統(tǒng),涉及到延時問題,這就需要CPU和ADC等有很高的計算速度；其次,可靠性成為新的問題,設計人員已經習慣模擬設計可靠性,變成數字設計時如何提高并保證可靠性,他們不知道怎么面對。” TI C2000 DSP控制器經理譚徽指出。“我們最主要的設計目標是使產品電源性能表現更優(yōu)異,即能支持高達2MHz的開關頻率,以及達到20%開關頻率的閉環(huán)回路頻寬(代表瞬時響應速度),同時將外部零件數目和耗電量減至最少。這些性能均需要結合數字與模擬設計的專業(yè)技能。”嚴宗福表示。
Ahmad Ashrafzadeh認為,在數字電源解決方案中大量使用的數字電路迫使利用小尺寸的工藝來保持小的硅片面積以及成本效益,模擬單元利用這些小尺寸工藝通常難以獲得高的質量,例如良好匹配的高阻值電阻、用于偏置和基準的高質量雙極晶體管。因此,要獲得高性能、高精度的數字電源管理集成電路在設計和制造上都具有挑戰(zhàn)性。
圖2:典型數字化電源管理控制器方框圖。
應用沒有難度
“業(yè)界對數字電源技術缺乏了解,在工程師中存在一種誤解,他們認為數字電源很復雜,需要大量的設計培訓,需要很長的設計周期來對他們的設計進行定制。” Savadatti表示,“與傳統(tǒng)的模擬電源相比,數字電源的應用設計并沒有真正的技術挑戰(zhàn)。”
工程師普遍對數字電源的理解是需要大量的信息交互和軟件編程,這對于長期從事模擬硬件設計的電源設計工程師來說具有極大的挑戰(zhàn)性。實際上,數字電源提供商通常提供了簡單直觀的圖形用戶界面(GUI)來幫助工程師解決這些顧慮。嚴宗福指出:“我們的數字電源產品配套提供了用戶友好的固件與GUI,工程師無須深入掌握固件寫入技術。” Primarion公司也提供了類似的GUI工具,“利用最新一代的GUI,甚至即使對數字電源技術并不熟悉的工程師也可以輕松地按照計算機屏幕上指示的步驟,通過選擇參數來對輸出電壓、電流、故障、環(huán)路補償的PID系數以及其他關鍵特性進行編程設定。”Savadatti指出。
關注中國市場
除了TI、Maxim等半導體行業(yè)巨頭外,像Primarion、Slicon Labs、iWatt和Zilker Labs這些在數字電源行業(yè)領先的企業(yè),對于國內大部分電源設計工程師來說還比較陌生。然而,這種情況正在發(fā)生改變。在2007年年初的中國國際集成電路展(IIC)上,這些全球主要的數字電源企業(yè)悉數參加,他們通過現場展示和研討會向中國工程師宣揚了數字電源對系統(tǒng)設計帶來的變革和好處,獲得了與會工程師的廣泛關注。
“數字電源產品在中國有廣泛的潛在用戶,比如深圳華為和中興,他們很多產品適合采用數字電源解決方案。”Savadatti指出,“對于這些潛在客戶來說,最大的銷售障礙在于讓他們了解數字電源將給他們的產品帶來性能、價格等方面的優(yōu)勢。”據悉,目前已經有部分臺灣地區(qū)的廠商采用了數字電源技術,其中包括技嘉、華宇和廣達。
一些主要的數字電源半導體公司近年來紛紛加大了對中國市場的關注和銷售力度。其中,Primarion公司于去年與本土專業(yè)分銷商中電華星公司簽約,以加強在大陸地區(qū)的產品銷售工作；Zilker Labs于去年在香港成立第一個亞洲分公司,并與TLG Electronics公司簽約授權中國地區(qū)的分銷業(yè)務；iWatt在大陸設立銷售辦事處,并通過駿龍科技代理銷售其所有產品。
作者:蒲文清
