数字电源—渐行渐近的高端电源技术

蒲文清

数字电源作为一个“时髦”的技术词汇近年来常常见诸于各种技术媒体，然而，对于绝大部分的国内电源设计工程师来说，它依然只是一个新鲜概念，似乎离他们的产品设计非常遥远。在2007年前后，我们可以从一些迹象看出数字电源技术正渐行渐近，在国外高端产品中已经有大量应用的数字电源即将进入到国内部分产品设计中。在TI、Primarion和iWatt等半导体企业的推动下，数字电源技术正获得更广泛的关注和应用。

什么是数字电源？德州仪器亚太区电源产品技术总监严宗福认为，数字电源器件必须包含可配置控制器内核，再加上一个能作为DC/DC或AC/DC电源转换应用的集成PWM控制器，器件内部以数字形式执行回路转换功能；美信计算和通信电源总监Ahmad Ashrafzadeh表示，通常认为如果可以进行通信，并能通过数字总线进行配置便是数字电源；Primarion公司营销副总载Deepak Savadatti认为，数字电源通过串行接口扩展了监测和控制功能，使电源设计更简单、更灵活。这些说法描绘出了数字电源的一些特征—可配置、可监控、设计灵活、简单。

应用稳定增长

在数据通信设备中，通常主板需要36到40个电压轨；在计算行业，一个主板上各种ASIC、存储器和处理器芯片组通常需要的电压轨超过20个。这种复杂的电源系统需要对各种参数进行精细的诊断、控制和监控，而这些功能是模拟电源所不能实现的。传统的解决方案通过增加分离的微控制器的方法对于降低系统成本、功耗、板子面积都不利，而数字电源的高度集成、设计灵活的特点能解决这些设计需求。“数字电源提供了目前模拟设计所不具备的新特性，如通信、诊断、易于升级、实时监控等，系统设计人员可用这些新特性来提高电源性能。” 严宗福指出。

“当前对高效、可靠的电源管理的需求增长非常快，采用模拟电源解决方案难以满足这些设计需求。” Deepak Savadatti表示。此前人们普遍的印象是数字电源多以对成本不敏感的高端应用为主，然而Savadatti给出了不同的意见：“我们当前也在给中低端的服务器市场OEM提供数字电源产品，我们还为图形卡制造商批量提供产品，这些图形卡最终是用到台式电脑中。”而严宗福也指出：“尽管当前主要仍是一些大公司利用数字电路技术设计电源来提升电源的性能，但随着更多的大公司逐渐把这项数字技术应用于电源设计中，中小型公司看到其带来的好处后也会逐步开始采用。”

“数字电源产品应用推广问题的关键是帮助客户了解数字电源的好处。”Savadatti指出。iWatt销售副总裁Gary Pinelli表示：“数字电源可以实现相对于传统模拟解决方案整体更低的BOM成本，一旦客户认识到数字电源能带来的好处，他们将不会返回去采用模拟解决方案。”“从现实情况来看，市场成长将由设计工具的质量与控制器解决方案的性价比推动。” 严宗福进一步指出。



IC设计面临挑战

“传统模拟电源厂家在开始设计数字电源时，要面对的挑战是如何把数字及模拟技术整合在一起，还涉及到软件的编写，这些技术都需要花一定的时间才能掌握好。”严宗福指出。传统的模拟电源集成电路设计公司面临的挑战是更高的集成度以及缺乏处理混合信号的设计经验，即使全数字电源IC依然包含大量的模拟电路，数字工程师并不熟悉模拟设计，而模拟设计工程师也不熟悉高密度的数字设计。“这迫使不同领域的工程师合作，这对于电源管理IC的设计与开发来说是全新的领域。” Ahmad Ashrafzadeh表示。
在电源系统数字化、智能化的趋势下，对电源的状态控制和了解要求也越来越高，从模拟控制转到数字控制面临很多挑战。“首先是响应速度或带宽的问题。模拟控制对信号状态的反应是瞬时的，而数字控制电路是一个采样系统，涉及到延时问题，这就需要CPU和ADC等有很高的计算速度；其次，可靠性成为新的问题，设计人员已经习惯模拟设计可靠性，变成数字设计时如何提高并保证可靠性，他们不知道怎么面对。” TI C2000 DSP控制器经理谭徽指出。“我们最主要的设计目标是使产品电源性能表现更优异，即能支持高达2MHz的开关频率，以及达到20%开关频率的闭环回路频宽(代表瞬时响应速度)，同时将外部零件数目和耗电量减至最少。这些性能均需要结合数字与模拟设计的专业技能。”严宗福表示。

Ahmad Ashrafzadeh认为，在数字电源解决方案中大量使用的数字电路迫使利用小尺寸的工艺来保持小的硅片面积以及成本效益，模拟单元利用这些小尺寸工艺通常难以获得高的质量，例如良好匹配的高阻值电阻、用于偏置和基准的高质量双极晶体管。因此，要获得高性能、高精度的数字电源管理集成电路在设计和制造上都具有挑战性。



应用没有难度

“业界对数字电源技术缺乏了解，在工程师中存在一种误解，他们认为数字电源很复杂，需要大量的设计培训，需要很长的设计周期来对他们的设计进行定制。” Savadatti表示，“与传统的模拟电源相比，数字电源的应用设计并没有真正的技术挑战。”

工程师普遍对数字电源的理解是需要大量的信息交互和软件编程，这对于长期从事模拟硬件设计的电源设计工程师来说具有极大的挑战性。实际上，数字电源提供商通常提供了简单直观的图形用户界面(GUI)来帮助工程师解决这些顾虑。严宗福指出：“我们的数字电源产品配套提供了用户友好的固件与GUI，工程师无须深入掌握固件写入技术。” Primarion公司也提供了类似的GUI工具，“利用最新一代的GUI，甚至即使对数字电源技术并不熟悉的工程师也可以轻松地按照计算机屏幕上指示的步骤，通过选择参数来对输出电压、电流、故障、环路补偿的PID系数以及其他关键特性进行编程设定。”Savadatti指出。



关注中国市场

除了TI、Maxim等半导体行业巨头外，像Primarion、Slicon Labs、iWatt和Zilker Labs这些在数字电源行业领先的企业，对于国内大部分电源设计工程师来说还比较陌生。然而，这种情况正在发生改变。在2007年年初的中国国际集成电路展(IIC)上，这些全球主要的数字电源企业悉数参加，他们通过现场展示和研讨会向中国工程师宣扬了数字电源对系统设计带来的变革和好处，获得了与会工程师的广泛关注。

“数字电源产品在中国有广泛的潜在用户，比如深圳华为和中兴，他们很多产品适合采用数字电源解决方案。”Savadatti指出，“对于这些潜在客户来说，最大的销售障碍在于让他们了解数字电源将给他们的产品带来性能、价格等方面的优势。”据悉，目前已经有部分台湾地区的厂商采用了数字电源技术，其中包括技嘉、华宇和广达。

一些主要的数字电源半导体公司近年来纷纷加大了对中国市场的关注和销售力度。其中，Primarion公司于去年与本土专业分销商中电华星公司签约，以加强在大陆地区的产品销售工作；Zilker Labs于去年在香港成立第一个亚洲分公司，并与TLG Electronics公司签约授权中国地区的分销业务；iWatt在大陆设立销售办事处，并通过骏龙科技代理销售其所有产品。

From：中国IC数据网