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模擬電源還是數(shù)字電源？兩種技術哪個更有前景？一種技術會不會以壓倒性優(yōu)勢取代另一種？兩大陣營你來我往，好不熱鬧。從用戶的角度看，很難確定哪一種方式更好。因為不斷提高的系統(tǒng)復雜度為數(shù)字電源鋪平了道路，而已經(jīng)存在了幾十年的模擬電源又有著諸多的固然優(yōu)勢。如何取舍？本文試圖評判一下。 數(shù)字電源處理負載與效率時更有優(yōu)勢？ 對于數(shù)字電源，用戶有哪些期待？隨著產(chǎn)品的性能不斷提升，數(shù)字電源首先需要能夠實現(xiàn)更復雜、更先進的算法；其次，隨著電子設備內的晶體管技術越來越先進，用戶對于開關頻率的要求也更高；此外，用戶還希望能有更多的性能提升空間，需要更多的獨立控制環(huán)或更多輸出，以及更多的差異化功能。 Microchip 16位單片機部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tom Spohrer表示，在應對負載與效率的關系時，數(shù)字電源技術更勝一籌。他通過CSCI效率要求（下圖）比較了兩者的差距。圖中縱軸代表效率，橫軸代表負載，三條曲線分別代表鈦金標準、鉑金標準和黃金標準。如果想達到最高等級的鈦金標準的話，就必須要在負載達到50%的時候，效率達到96%。當然更為困難的是，在10%的時候，效率達到90%。要想實現(xiàn)第二個目標，模擬技術幾乎很難，所以很多客戶轉用數(shù)字技術，能夠實現(xiàn)負載10%的時候效率達到90%。 為了在不同的負載條件下提升效率，一種方式是通過自適應算法，包括切相、死區(qū)調節(jié)、可變開關頻率、可變高電壓來實現(xiàn)，但是這樣對計算資源的要求會更高。當處理瞬態(tài)響應時，模擬電源更快，但有時效率不夠高，而數(shù)字電源的優(yōu)勢在于當負載發(fā)生巨大變化，沒有達到預計輸出功率時，可以進行實時系數(shù)調整，以適應全新的負載的情況。此外，如果使用預測算法的話，數(shù)字電源無需采用控制環(huán)阻尼控制來進行脈寬調制，可以在最大值和最小值之間找到一個合理值，從而使得功率輸出達到一定的目標。 模擬電源在工業(yè)領域仍大有可為？ Intersil公司工業(yè)電源市場與應用總監(jiān)Lokesh Duraiappah認為，數(shù)字控制器最重要的是PMBus遙測功能，例如計算、通信、服務器等應用領域，可通過該功能監(jiān)測每一個負載的溫度、過電、過壓功能，因此主要應用于基礎設施行業(yè)中對于功率順序和電壓余量要求較高的場合。他舉例，現(xiàn)在越來越多高功率應用中都有FPGA，它有多個電壓軌，因此功率的順序就非常重要，這時數(shù)字控制器的靈活性要優(yōu)于模擬控制器。 工業(yè)用途的集成電路往往不需特別高的功率，也不是特別復雜，對于PMBus遙測功能也沒有非常嚴格的要求，而是對占板空間、效率、解決負載點問題的需求很強烈，因此模擬控制器更為適合，而且工業(yè)市場的客戶也更喜歡用模擬控制器。 那么，工業(yè)電源市場主要有哪些趨勢和挑戰(zhàn)？Lokesh Duraiappah表示，現(xiàn)在市場上對于消除中間級總線的呼聲越來越高。一般來說從AC/DC有一個高壓總線，一般是12V的中間總線，有的情況是8V或者9V，人們越來越多地都想消除中間轉換器的中間總線。 至于消除中間總線能帶來哪些好處，Lokesh Duraiappah解釋，如果能夠直接把高壓（比如40V、36V、42V）轉化為低壓（包括3.3V、5V或者1V），可以帶來很多好處。因為使用首先中間總線轉換器本身就是一個成本因素，其次如果使用這樣一個中間總線轉換器，它的電流就會很高，這樣在配電的過程中就會有更多的損失。如果能夠把48V直接降到一個低電壓的話就能夠減少配電的損失。 除此之外，還有一些趨勢就是隨著FPGA、MCU、ASIC的復雜性日益上升，電壓軌的數(shù)目隨之增多，還有電壓余量以及備用電池的使用等等。 工業(yè)電源的眾多挑戰(zhàn)則在于現(xiàn)有的電源設計資源和專業(yè)知識仍需提高，需要更為可靠、易用的解決方案，需要通過增加電壓余量來解決電源浪涌問題。 讓數(shù)字電源設計更便捷 為了應對數(shù)字電源的設計挑戰(zhàn)，Microchip多年前就提出DSC(數(shù)字信號控制器)的概念，它以MCU為中心并融合了DSP功能，支持單指令流，可以實現(xiàn)電源的全數(shù)字控制。日前，該公司進一步拓展其DSC產(chǎn)品，推出dsPIC33EP“GS”系列。據(jù)Tom Spohrer介紹，新系列產(chǎn)品可在開關頻率更高的情況下實施更為復雜的非線性預測及自適應控制算法。這些高級算法可令電源設計實現(xiàn)更佳的能效和電源規(guī)格。此外，更高的開關頻率使得設計人員能夠以更低的成本開發(fā)出密度更高、體積更小的電源產(chǎn)品。相比上一代DSC產(chǎn)品，新型dsPIC33EP“GS”器件在應用于三極點三零點補償器時其延遲可縮短一半時間，而且在任何應用中均可節(jié)省多達80%的能耗。 新產(chǎn)品具體技術細節(jié)如上圖所示，采用70 MIPS 的全新dsPIC33EP內核。右側棕色底的四個數(shù)字電源外設之間可以實現(xiàn)互操作性。比如，脈寬調制可以觸發(fā)模數(shù)的轉換器，并且是在脈寬調制的過程中觸發(fā)模數(shù)轉換器。模擬轉換器也可以實現(xiàn)檢測錯誤的功能。所有這些功能都不占用額外CPU的資源。新產(chǎn)品具備16KB~64KB閃存，2KB~8KB內存，工作溫度最高可以達到125℃。 Tom Spohrer表示，新系列產(chǎn)品的性能之所以能夠得到提升，有幾個最為重要的原因：第一，功能最高達到70 MIPS的新內核，上一代產(chǎn)品只有50 MIPS；第二，整合入新內核中的一個全新寄存器級的功能；第三，較上一代速度提升了一倍的ADC（上一代是10位ADC）。 他進一步解釋，這個現(xiàn)場選擇的寄存器集幾乎能夠實現(xiàn)瞬時的現(xiàn)場切換，這種寄存器的設置方式之所以能夠提升整體性能，是因為它能夠提前將這些數(shù)據(jù)進行加載，而不用把新的值推送到現(xiàn)有的堆棧當中來進行計算，并且在這個過程中省去了很多內容保存的時間。補償器速度最高能夠提高達到50%，這也顯著縮短了控制環(huán)的延遲，使得整個電源供應的性能得以大幅度提升。 此外，5個ADC總的轉換速度最高達到16Msps，它們知道何時進行轉換，因此能夠提前進行中斷，減少中斷服務的開銷。全新系列產(chǎn)品可以有最多22個的模擬輸入，每一個模擬輸入都有專用的結果寄存器，并且還有自主的數(shù)字比較器，通過將每一次轉換結果和閾值電壓進行比較，可在過壓、欠壓和超出范圍等情況時產(chǎn)生中斷，而這一過程無需CPU介入 ，性能更高。 GS系列的另一個新特性是及時更新的功能，無論系統(tǒng)處于什么狀態(tài)，都能夠對部件進行更新。增加這樣功能的原因，也是基于客戶對于高可容系統(tǒng)的需求與日俱增。Tom Spohrer舉例說，比如在服務器供電領域的客戶，就希望能夠在不關掉服務器的前提下，對其部件進行更新。那么Microchip是怎樣做到的呢? 答案是使用雙閃存分區(qū)的方式。現(xiàn)有代碼在第一個閃存分區(qū)運行，更新的那部分代碼在第二閃存分區(qū)運行。兩者之間的轉換時間可以在300ns之內完成。這樣的話就可以在PWM的中間實現(xiàn)。整個電力供應過程不受任何影響，代碼更迭就已經(jīng)完成了。 此外，Microchip還提供了一些非常完善的開發(fā)工具支持，其數(shù)字信號轉換控制器針對數(shù)字電源進行了特別優(yōu)化，代碼間可無縫轉換。 Tom Spohrer表示，憑借上述特性，dsPIC33EP“GS”系列產(chǎn)品可適用于電腦與電信（如AC / DC和DC/ DC電源）、工業(yè)（如太陽能逆變器、LED照明、HID照明、電池充電器、投影儀和電焊機）及汽車（如LED和HID前照燈及DC/DC轉換器）等等。他特別強調，在大型服務器應用的場合，數(shù)字電源的應用就變得更為重要，因為通信電源更多需要遠程觀察，且從一個電源到另一個電源需要快速切換，多個電源的并聯(lián)也要求更便捷，數(shù)字電源在這些應用場景都很有優(yōu)勢。 工業(yè)開關電源的發(fā)展趨勢 Lokesh Duraiappah通過下圖介紹了工業(yè)開關電源的集成趨勢。綠色區(qū)域表示現(xiàn)有完全集成式同步降壓穩(wěn)壓器的技術，即所有的調制器、驅動器、功率MOSFET都集成在一個IC中。藍色的則代表功率MOSFET和調制器分立的產(chǎn)品方案。他表示，十年前，綠色的區(qū)域要比藍色的小得多，但是隨著技術的發(fā)展，尤其是LDMOS技術的發(fā)展，會有越來越多集成的解決方案被開發(fā)出來。但是追求高輸入電壓和低電流的情況例外，只能選擇控制器+外部功率MOSFET的解決方案來實現(xiàn)。 順應上述趨勢，Intersil通過開關穩(wěn)壓器來適應中低電壓和負載應用，并用控制器+外置MOSFET來適應高電壓和負載應用，以及通過電源模塊提供現(xiàn)成的電源解決方案。Intersil最新推出的60V同步降壓控制器ISL8117就屬于高輸入電壓控制器，它針對工業(yè)市場特別設計，能夠驅動功率非常高的MOSFET，滿足工業(yè)領域的多種應用需求。該同步步降PWM控制器的低占空比（導通時間最小40納秒）支持從48V到1V負載點的直接步降轉換。這一創(chuàng)新使得工程師能夠顯著降低工業(yè)電子、醫(yī)療和通信基礎設施應用的系統(tǒng)復雜性和解決方案成本。 據(jù)Lokesh Duraiappah介紹，在需要較低輸出電壓的高輸入電壓應用中，工程師通常依賴于會增加系統(tǒng)成本的模塊，或者是會增加解決方案尺寸和復雜性的二級DC/DC解決方案。ISL8117控制器的推出，則為低輸出電壓/輸入電壓比（Vout/ Vin）的應用提供了經(jīng)濟而可靠的替代方案。ISL8117使用帶有自適應斜坡補償?shù)墓戎惦娏髂Ｊ秸{制，來支持寬范圍輸入電壓和輸出電壓組合的穩(wěn)定工作，且無需外部補償。系統(tǒng)工程師還能使用ISL8117最高2MHz的可調頻率來優(yōu)化電源成本、尺寸和效率。 創(chuàng)新的ISL8117在縮小解決方案尺寸和簡化系統(tǒng)設計的同時并未犧牲性能。常用功能的默認設計值和ISL8117的寬輸入電壓和輸出電壓范圍，使其需要的外圍元件數(shù)量少于競爭解決方案。使用ISL8117，工程師能夠設計只需10個元件（包括MOSFET和被動元件）的完整DC/DC降壓轉換解決方案，并實現(xiàn)最高98%的轉換效率和達到1.5%的輸出電壓精度。ISL8117 的低引腳數(shù)量和易于布局的引腳結構還最大限度減少了重疊跡線的數(shù)量，進一步改善了電源性能。 Intersil亞太區(qū)銷售副總裁何賢斌表示，大客戶比如像谷歌、中興、華為這樣的企業(yè)有專門的電源設計部門，但是很多工業(yè)類的客戶并沒有專門的電源設計團隊，甚至很多平臺設計師也要負責電源設計，因此亟需易用、易于設計的產(chǎn)品。另外隨著電池應用和備用電池的使用增加，也意味著電源設計不僅要應對電壓輸入的問題，還有不時出現(xiàn)的電源浪涌的問題，所以必須要用DC/DC轉換器來解決這一問題。Intersil未來將開發(fā)更多易用的高性能、低 Iq 的產(chǎn)品，同時能夠應對在工業(yè)應用中越來越多的電池、備用電池的使用。 工業(yè)4.0對電源有哪些要求？ 隨著工業(yè)4.0時代勢不可擋的到來，勢必會對電源產(chǎn)生許多新的需求。《中國制造2025》的公布，也將給電源提供商帶來許多新的機遇。對此，電源方案提供商該如何把握？電源IC設計又將走向何方？ 何賢斌表示，智能和綠色是兩個基本的著眼點，智能化其實就是數(shù)字化，而綠色范圍很廣，首要是節(jié)能，使產(chǎn)品更加省電。此外，儲能問題也將更受重視，現(xiàn)在電動車非常熱門，電動車電池最大的瓶頸就是電池和電池之間不平衡、不匹配，未來需要把每一節(jié)電池的能量都最好地發(fā)揮出來。 《中國制造2025》號稱中國版的工業(yè)4.0，在這一升級過程中，中國市場的情況將更為多樣化。由于行業(yè)或企業(yè)發(fā)展的不均衡，一些行業(yè)/企業(yè)甚至正處于2.0向3.0的過渡階段，這勢必要求電源廠商能夠給予更為靈活多樣的技術支持。 對此，Lokesh Duraiappah認為，中國第一波的改革開放和之后的現(xiàn)代化，主要關注的是制造業(yè)、制造出口、ODM。但是在過去的幾年時間里，這一關注點已經(jīng)發(fā)生了變化，中國現(xiàn)在主要是希望通過工業(yè)化來不斷提升人們的生活水平。在這個過程中會發(fā)生很多有意思的變化，比如重型機械的發(fā)展、工業(yè)自動化等等。這就要求很多工廠有非常大規(guī)模的研發(fā)投入，創(chuàng)建國內的研發(fā)中心。而這會導致電子行業(yè)在中國有非常大的擴散和發(fā)展，而且會是幾何級的增長。他補充，各行各業(yè)的發(fā)展都需要用到電力和電源。一些工業(yè)應用會需要具有聯(lián)網(wǎng)、通信、計算等非常復雜功能的數(shù)字控制器，而也有一些工業(yè)應用只需要模擬控制器，可靠、傳統(tǒng)的DC/DC開關就能夠非常好地滿足他們的需求。Intersi希望針對中國市場開發(fā)出非常有效的解決方案，包括控制器、電源模塊，以及完全集成式的解決方案。 但不論技術如何改進，對于電源產(chǎn)品來講，效率還是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通過改善產(chǎn)品架構降低靜態(tài)電流是未來的方向之一。另外針對FET技術和集成式控制器，也會進一步投資技術來降低RDS。還有在控制器方面有不同的fab工藝，比如說250微級、180微級、130微級、90微級等，Intersil也會順應潮流不斷創(chuàng)新，從而達到降低占板空間、提升效率的目的。 工程師如何選擇電源控制器？ 說了這么多，真正的問題來了，工程師在進行電源設計時，該如何選擇控制器？他該最先關注哪些功能或參數(shù)？ Lokesh Duraiappah認為很多參數(shù)都是值得考慮的，比如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍，從控制器角度來講，一個重要的因素是可以支持的最小接通時間，只有在最小接通時間非常低的情況下，才有可能實現(xiàn)大幅度調整。第二可以看柵極驅動，即它能驅動的功率MOSFET的最大是多少。第三則要看易用性，在默認設置上看搜索頻率、軟啟動還有引腳數(shù)量是否滿意。第四則是開關頻率，在擁有很高的開關頻率的情況下，對電流波、效率、電感尺寸的選擇余地就非常大。他強調，對于工業(yè)客戶來說，非常重要的一點就是這個技術是不是馬上能投入使用，誰都不愿意從頭再去對一個芯片做研究和探索。因此參考設計的使用也變得更為關鍵，它便于客戶進行評估，然后直接用到實際應用中。 那么，再回到本文開頭的問題，工程師在進行設計時，面對模擬電源和數(shù)字電源該如何選擇？相信各位看官都已經(jīng)找到了答案，選擇的原則是“合適就好”。正如本文的受訪者所介紹的，每種方案都有其固有的優(yōu)勢和劣勢，而正確的系統(tǒng)分析有助于為具體的應用提供最合理的解決方案。新技術的出現(xiàn)并不會使舊有的技術消亡，而老的技術也不會永遠一統(tǒng)江湖，這就是科技發(fā)展的獨特魅力。 |
