数字电源面市

上网时间: 2015年02月12日? 作者:肖平? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:加快向大众化市场滲透?

近期,数字化电源成为电源供应与管理领域的一个热门话题。随着半导体工艺的进步,该技术正在从高端的军用领域逐渐向大众化市场渗透,且应用越来越广。

这一动向的产生,是半导体供应商的赢利取向与客户需求激烈碰撞的结果。如今的电源系统变得越来越复杂,为了满足各种电源电压与电流需求,电路板上需要集成的POL调压器和DC/DC转换器越来越多,如何协调、管理与控制,这些调压器和转转器成为一个较大的难题。

半导体厂商认识到,采用模拟IC不可能实现超常态的电路拓扑形式、实时匹配和其它优点,但利用经济实用的数字控制机制却能实现。他们认为数字控制的电源供应与管理系统不仅在性能上比双稳态系统更加优越,同时有望成为成本最低的设计方案。

因此,乐观的支持者认为,数字电源技术很可能在未来几年内挤身应用市场的主流。这些支持者大多来自半导体供应商。但是市场上的反对声音则认为,要实现规模商用,数字电源管理(DPM)还有很长的路要走。

什么是数字电源

什么是数字电源,业界对此并没有一个清晰统一的定义,各个公司对此的解释也不尽相同。比如,TI从功能上对数字电源进行了定义:数字电源就是数字化控制的电源产品,它能提供管理和监控功能,并延伸到对整个回路的控制。意法微电子(ST)则从系统框架的层面进行了阐述,该公司的亚太区分布式电源控制先进市场部的经理CyrilleHalbede丨说:“DPM的概念是:通过一个数字内核和嵌入式通信接口(通常为PC)对多个电源转换模块和外部元件进行控制。”电源模块厂商Astec(Emer-son的子公司)对DPM的看法与ST相近,该公司认为DPM实-际上就是在电源系统内部以吸PWM控制回路进行管家式管理。因此,DPM的框架主要为一个或多个MCU、一些读写存储器、通信接.口和各种推挽式功率放大器和传感器。

飞兆半导体集成电路部的高级市务总监梁锦祥则强调了DPM与传统的模拟电源管理方案的差别。他说:“DPM提供自适应控制,能在相同的应用中适应不断变化的需求。DPM利用模拟前端进行探测,并执行一组方程式,以每一周期为基础提供输出控制。此外,DPM无需附加外部元件,而传统方案却需要用外部元件进行微调。”

DC/DC转换器供应商PowerOne公司市场发展总监PechiLou则认为除了DPM,数字电源还应该包括数字电源转换(DPC)层面。“传统非隔离式POL转换器所采用的模拟PWM反馈回路被DPC中数字PWM(DPWM)所取代,因此可对POL转换器进行纯数字控制。”Lou指出,“采用大量外部元件对模拟的转换器进行数字管理的方式虽然可行,但并不经济;而采用数字转换器不仅使该任务简单,还可实现大量的功能操作。”

数字化的优势与应用前景

高集成度和灵活性是数字电源的主要特点。前者无需多说,典型代表如飞兆半导体的FMS7401L。

就灵活性特点,飞兆的梁锦祥说:“模拟的电源管理方案是定制化的,因此很难于适应规格要求的变化。一般模拟方案所用的外部元件必须定时进行校准,以达致性能优化;而紧凑集成的DPM方案非常灵活,适合不同需求和各式应用,并可自动补偿外部元件的老化问题。”

实际上,这里的灵活性包括下列几个方面:可灵活生成各种电源开关驱动波形;可编程能力能够精确计算出参数漂移和元件的老化情况,并提供反馈和自适应能力;存储的灵活,可以实现目标操作,并保存操作记录。

PowerOne还强调了在电源转化器中集成数字电路的必要。“电源系统中存在许多不同种类的DC/DC转换器,超出了易于管理的范围。”PowerOne的Lou说,“另外,客户经常要求定制的OTS转换器,以满足特定的系统要求,这进一步增加了技术风险和进入市场的时间。”Lou继续说,采用标准的模拟POL和分立的外部电路可以实现这些功能,但如果将电源转换技术与智能控制技术相结合,构建成一个数字控制的POL转换器,性能将得到显著提高。

基于这个思路,PowerOne在其Z-POL转换器中采用DPWM控制器来取代传统模拟驱动,并让DPM通过一个单线Z-One数字总线、一个PC总线与多个Z-POL转换器和主机系统进行通信。该公司将这一体系架构称为“数字IBA”。

“与模拟IBA相比,数字IBA有很多优点,可通过产品性能、研发周期、原材料物流管理、降低生产成本来实现。降低成本是其中一个明显的优点,随之而来的是元器件数量、元器件种类、供应商数目、电路板布线、整体电路板空间的减小。”Lou说,“随着新的终端设备的不断推出和设计周期的不断缩短,更快的研发周期不仅仅可以减小研发成本,还通过更快推出新的终端设备使得利润增长。”

但飞兆的梁锦祥并未认同“数字电源将带来最低成本”的绝对观点。“由于应用的不同,DPM的成本效益可能不是很高。对于特殊应用,定制化的模拟方案可能较具成本效益。”他说,“DPM的典型应用包括照明镇流器控制、电池充电控制、DC/DC管理以及马达控制。”

在谈到应用前景时,ST的Halbedel说:“DPM已开始在低电源系统如手机、笔记本、数码相机中得到应用,并开始向AC/DC和DC/DC转换器领域渗透。”而TI则声称,DPM将支持任何电池或线性电源应用,从POL应用到电信级整流器到UPS,它将使整个电源供应系统更加智能化。

当然,如果不能设计出成本更经济的产品方案,所有这些数字电源的设想都是空谈。

挑战与困难

数字电源目前还存在一些挑战。首先是标准化问题。ST的Halbedel说:“通信总线与接口的标准化、可编程平台的标准化及内核与周边器件协议管理的标准化是DPM实现规模商用的主要挑战之一。”

可是半导体产业从来就没有单一的标准,各个竞争派系都力争使自己成为主流。从目前来看,开放性的PC在接口和通信标准的竞争中占据了主动。PowerOne的Z-SeriesDPM就采用PC接口控制每个Z-POL转换器。

某些针对便携式市场的数字电源产品则采用了在PC基础上发展而来的SMBus,该标准有更严格的时序要求,直流特性也更适合于便携式应用。比如TI的数字电源方案就是让MCU通过SMBus接收转换器的信息。

另外,Astec与Artesyn公司还在2004年10月发起成立了PMBus数字协议联盟,这种协议也是在PC标准的基础建的。除了这两家公司以外,参加该联盟的其它公司还包括TI、Intersil、Microchip等。

第二个主要挑战是软件设计。软件在DPM中有着举足轻重的地位,要想实现DPM的商用化,电源设计工程师必须了解如何设计并优化软件模块。并且,软件的兼容性也十分重要。遗憾的是,编程并非模拟工程师的强项。“在转向数字技术之际,设计人员需要学习软件技术,熟悉MCU的编程。”飞兆的梁锦祥说。

“DPM的另外一个挑战是,产品生命周期可能更短,因为标准在不断演进,而固化的数字电路难以跟上标准的变化。”意法半导体公司的Halbedel进一步补充说,“可靠性也是潜在的问题,因为设计架构非常灵活,系统内任何地方发生故障都可能影响系统的稳定性。”

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