第二代控制器涌现，数字电源市场起飞不再遥远

不久前，市场研究机构Darnell Group在一份报告中指出，2008年数字电源控制器IC的价格预计将与现有模拟产品持平。数字控制器IC的平均价格已经从几年前的6美元降到了目前的3美元以下，预计2008年将跌破2美元。Darnell表示，随着数字与模拟控制器解决方案价格趋同，更多、更符合具体应用的第二代控制器推出，数字电源软件开发GUI持续改善，以及市场更加了解数字电源技术等因素的推动，数字电源产品生命周期的“引入”阶段接近结束，数字电源市场将迎来加速增长。

数字电源市场引入期将结束，即将引来快速增长期。0h1esmc

这对数字电源产业无疑是一个非常好的消息。虽然数字电源被炒了很多年，但市场状况却是数字电源概念混乱，供应商的产品五花八门鲜有大批量产出货的成功案例，客户大多处于疑惑和观望之中，市场规模一直很小。不过，供应商们纷纷表示，随着市场对数字电源的需求更加强烈、对成本和复杂性误解的消除，以及更多更好数字电源产品的推出，未来2~3年内数字电源市场将有望起飞。 数字电源的概念：区分数字控制和数字管理 就像所有的新技术一样，数字电源的概念也充满了混淆和噪声，这主要是缘于不同的人对数字电源有不同的理解，不同的供应商有不同的技术路线。为了理解数字电源的概念，就需要区别数字控制和数字管理两个词汇：前者是指利用数字方法实现功率转换控制回路，是数字电源的核心；而后者是关于一个或多个电源之外的通讯和控制，例如通过I²C通讯总线支持一些数字化配置和数字化监控，常常被“误解”为数字电源。 iWatt公司系统设计和技术总监郑俊杰表示，谈到数字电源，最大的混淆在于数字控制电源(digital power control)和数字管理电源(digital power management)的不同，“管理”指的是对于电源开关时序、保护切断及自我诊断等，数字电源在这里不仅指“管理”，也包括“控制”，控制是核心。 郑俊杰指出，通俗地讲，数字电源就是利用数字化的方法对电源的输入输出进行控制，以实现电源工作于最佳状态，数字电源中的“数字”只是一种控制方法而已。他强调说，数字电源和模拟电源主要区别在于如何处理反馈信号，数字电源是基于时钟的离散数字信号频域控制，数字控制平台包括常见的DSP处理器、单片机、PAL、GAL和FPGA等，实现方式大致分为用户可编程控制和预固化两大类，模拟电源完全是在时域控制。

Deepak Savadatti：数字电源应该包括数字PWM回路、电源管理以及通讯。

Primarion公司营销副总载Deepak Savadatti也指出，数字电源这个术语一直广泛用于只是I²C这样的通讯连接，或者时序控制和追踪等通讯与电源管理功能，真正的数字电源应该包括数字PWM回路、电源管理以及通讯。他表示：“数字电源是把传统模拟功能集成在密集的混合信号CMOS数字控制器件之中，并以数字方式闭合反馈回路。这种方法简化了回路补偿，而模拟解决方案涉及多个芯片组，用于完成功率转换、通讯接口和电源管理等任务。” 郑俊杰进一步解释说，数字电源本身并不是一个新概念，它的定义一直在不断完善扩充。早在20世纪80年代，MCU或微处理器已被开始用于对电源的启动保护上，被称为智能电源，但这还不是真正意义上的数字控制电源，因其核心控制依然是模拟时域控制，“数字”控制功能仅仅是辅助保护而已，尤其是开关通信电源。随后DSP处理器出现，由于DSP完成一条指令要比MCU快很多，这对提高反馈回路的响应速度十分关键，数字电源真正开始受到重视，并且不断受益于半导体制造工艺进步带来的成本、功耗、延迟时间和运算速度等性能上的改善。数字电源控制器也从最初的MCU和DSP转向了目前的专用硬件方案。 数字电源的历程：四个层次产品

Jim MacDonald：数字电源控制器可以分为四个层次。

为了全面评价不同“数字”电源器件之间的区别，Zilker Labs公司产品营销副总裁Jim MacDonald更是把数字电源控制器为成了四个层次，以更容易识别和比较各类电源以及它们的关键优点。 层次1：不具备功率转换功能的数字管理电源。此类器件只能够管理和监控电源电路的一些基本参数，功率转换工作由另外的控制器IC完成。这种电源管理器IC用于控制一些简单的功能，如软启动和时序，这些功能利用模拟元件难以实现。它也用于监控一些基本的转换器或环境参数，如电压与温度。 层次2：具备模拟功率转换回路的数字管理电源。此类器件在单一IC中集成了一个传统的功率转换器与一个数字电源管理器。有些器件可能提供以数字方式设定输出电压、开关频率和其它参数的能力，但由于转换回路仍然是模拟的，因此许多功率转换设置是利用硬连线元件(如回路补偿、UVLO level和故障临界值等)进行配置的，只能通过更换元件作调整。上述数字电源管理器件也提供监控功率转换参数(Vin、Vout、Iout、温度、以及Fsw等)和状态信息(OV/UV、OC/UC、OT故障状态等)能力。 层次3：具有混合数字功率转换回路的数字管理电源。此类器件使用混合式功率控制回路架构，该架构中包含模拟与数字元件，因此不需要为功率转换回路编写软件，从而简化了设计过程。此类器件还能提供自适应优化程序(routine)，可以随着运行条件的变化而自动调节性能。这些自适应程序的例子可能包含相位增加/减少、二极管模拟和脉冲跳跃。此类器件还可以轻松地集成驱动器和功率FET，因为它是混合模拟/数字制造工艺，允许较高的集成度。 层次4：具有“软”数字功率转换回路的数字电源管理。此类器件与层次3器件具有许多相同特点与功能，但它使用纯数字控制回路(微控制器或DSP)，需要用户编写软件来实现功率转换回路。此类器件通常还使用极低电压制造工艺，以使微控制器或DSP达到性能和功率要求，因此驱动器和功率FET总是外置的，这将导致集成度下降。 根据严格的数字电源概念，层次1和层次2是数字管理电源，并不是真正意义上的数字电源，它们大多是TI和Microchip等传统厂商推出的一些早期产品，如TI的电源管理与监控芯片UCD9080。层次3和层次4则是真正意义上的数字电源产品，iWatt、Zilker Labs和Primarion等初创公司的产品都属于层次3，他们在推动数字电源发展上走在了前头。而层次4的产品通常来源TI、Microchip等传统处理器厂商，如Microchip于2006年推出的16位dsPIC数字信号控制器(DSC)dsPIC30F1010和dsPIC30F202X，TI基于C2000 DSP的可编程TMS320F28x控制器。 Zilker Labs的全数字转换和管理IC能够集成几乎全部典型的外部元件，这些元件与设定输出电压、软启动定时、回路补偿、电流限制、UVLO level和其它功能相关。Zilker Labs在单一IC中支持全部功能：时序、追踪、输出边限调整(margining)和监控等，可以帮助简化整个系统的电源设计。此外，Zilker Labs器件还集成了偏置LDO、驱动器和/或功率FET，进一步简化了电源设计工作，使开发人员能够利用最小的PCB面积实现智能的可配置电源。MacDonald表示：“我们下一代产品的关键进步将是采用自适应算法，允许电源系统自动适应负载或系统条件的变化，在不需用户干预的情况下使效率最大化。这些功能可能包括轻负载算法，如脉冲跳跃、二极管模拟和相位增加/减少。” 和Zilker类似，Primarion通过把电源管理和功率转换功能整合到单一芯片上面，以及采用板上非易失性内存提高集成度。Primarion提供一站式服务，可以满足用户的全部数字电源需求，包括驱动器、集成功率级和GUI软件。Primarion提供面向CPU(VRD/VRM)、内存、POL和图形的全套数字电源解决方案，覆盖三个主要领域：服务器，图形和数据通讯。 与上述厂商偏向DC-DC应用不同，iWatt是全球第一家推出AC-DC数字电源控制芯片的公司，先后推出了iW2202 AC/DC单级功率校正控制芯片和iW1688/89/92/90系列针对小瓦数的AC-DC电源适配器数字电源控制芯片，这些芯片已广泛用于手机充电器、MP3/无绳电话等适配器以及LED照明等。郑俊杰是iW1688/89/92/90系列产品的主要系统架构设计者，拥有多项专利技术。

Bill Hutchings：数字电源发展的障碍正在被扫除。

在数字电源市场上一直采用渐进策略的Microchip也于去年推出了层次4产品。Microchip数字信号控制器部门产品营销经理Bill Hutchings表示，该公司用于开关电源和数字功率转换应用的dsPIC数字信号控制器带有很多必要的外设，因此所需的外部支持芯片很少，元件数比其他厂商少50%，片上集成了功率PWM、ADC、精确振荡器、通信外设、单电源电压、闪存和RAM、以及功率因数校正等。Hutchings强调说：“我们相信从模拟电源到数字电源的转变是渐近的，我们提供一系列广泛的方案，以便客户能够实施最适合他们产品需求、设计团队资源和经验的数字控制层次”。

严宗福：摩尔定律将继续提升数字电源性能和降低成本。

如果说层次4是第一代控制器的话，那么层次3就是第二代控制器，并已经成为未来发展趋势，过去一年中，很多传统和初创公司推出了第二代控制器产品，如TI的UCD91xx/92xx系列。TI亚太区电源产品技术总监严宗福介绍说，TI提供软件及硬件两种数字电源方案，一为DSP形式，利用软件来实现电源控制，它应用范围很广，可依客户在应用上的需求做修改，价格较高但灵活性很大；另一种是整合MCU及加速器功能的硬件实现电源控制，加速器主要是针对电源反馈回路高速度运算的功能，它专为电源控制而研发，整合的架构拥有价格上的优势，如UCD91xx/92xx系列。 数字电源市场：成本和复杂度是主要障碍？ 尽管过去几年来，数字电源一直是一个热门话题，但并没有得到大量应用。iWatt的郑俊杰表示，业界已普遍认识到传统的“放之四海而皆可用的”的通用IC不再适合未来的发展，数字电源作为模拟电源的延伸与提高，其发展才刚刚开始。 Zilker Labs的MacDonald认为，这既有市场原因也有技术原因，从需求层面来看，直到2006年，用户才开始遇到不能利用现有模拟方案解决的系统电源管理新问题。这些新问题包括PCB面积限制、电源监控要求和效率限制(如“绿色”、“80+”和类似要求)，已迫使用户考虑数字电源器件，这些器件可以在整个负载范围内提供更高的效率，同时仍能节省PC板面积。从供应层面看，直到最近，可用的产品数量仍然不多。数字电源IC制造商应该提供全系列产品，使客户的整个电源系统改用数字电源。目前各公司推新产品的速度都在加快，帮助用户更容易准确地选择所需的产品。 但MacDonald表示，现已看到许多客户开始使用数字电源，而且这些客户将在2007年末和2008年推出采用数字电源的新产品。将引领这个趋势的应用包括电信系统(交换局、ATCA、MicroTCA以及网络等)、服务器、存储系统和工业计算。另外也看到电源模块和电源厂商正在开发新产品，以帮助支持这些更愿意购买全套电源而不是自己设计电源的客户。他透露说，虽然目前尚未公开宣布，但Zilker Labs在以下市场获得了design win：电信与网络系统(ATCA、MicroTCA、千兆位以太网、手机中继器)，计算服务器，自动测试设备(ATE)，高端游戏PC，视频点播(VOD)以及电源模块。 Microchip的Hutchings也表示，一些数字电源发展的障碍正在被扫除，包括小尺寸、高集成度和成本效益的控制器方案可满足广泛终端系统功率转换器需要的性能；设计团队对于数字电源的经验和知识的增长；以及市场明确理解采用数字电源给终端系统电源产品带来的商业和技术益处。 Savadatti则认为，数字电源发展最大的障碍是业界对其的误解！他表示，业界对数字电源有三大关键误解。一是昂贵。其实这是不正确的，和需要系统通讯与多个电压轨的现有模拟解决方案相比，数字电源BOM成本较低，数字方案消除了昂贵的额外时序控制器/电源管理器IC。二是复杂和需要编程，这也是不正确的。通过用户友好的图形用户界面(GUI)来输入和选择用户参数，不需要任何编程，数字电源简化了设计任务。他解释说，模拟设计需要多次反复，费时费力，在确定设计之前需要对无源元件进行数次的焊接与拆焊。模拟设计需要数几个小时或者几天的时间，而数字设计只需要几分钟。数字设计不需要任何关于Z转换的知识，只要求用户输入参数，所有的计算都由GUI在后台完成。三是未经过实际验证，这又是个不正确的认识。Primarion已向大型OEM厂商出货逾1,000万个产品，现场故障为零。 Savadatti强调说，随着系统设计师评估其各种选择，第一个与成本有关的误解将会自然消除。第二个误解比较麻烦，是阻止数字电源解决方案得到广泛接纳的最大障碍。这种误解认为，数字解决方案十分复杂，需要大量投资于培训，而且为具体的应用进行客户化需要较长的设计周期。那么值得为此投入设计时间吗？可以证明这是值得的，但幸运的是开发人员不需要进行这种选择。数字电源解决方案使开发人员摆脱了解决方案的底层复杂性。就像PC用户不必知道基本代码就能使用应用程序一样，电源设计师也不必知道如何给数字电源编程就能享受它的好处。 根据Darnell的报告，数字技术在价格方面现在已经与模拟解决方案不相上下，预计未来几年将得到主流市场的采纳。Primarion一家的出货量已经超过了1,000万个，许多设计都接近产量提升阶段。 模拟还是数字：性能、复杂度和效率 数字电源会在哪些领域取代模拟电源，系统开发人员如何确定选择哪一种电源？郑俊杰认为，不论任何技术，评价的标准不外乎整体成本、整体性能、可扩展灵活性、可靠性、可测试性及可确定性和产品上市时间，上市时间应该是首要的标准，显然数字电源在这方面具有较大的优势，例如iWatt可以根据客户的要求进行量身定做，时间可以短到几天。 TI的严宗福表示，目前数字电源主要是应用于对可靠度及性能要求极高的应用，例如通讯用的整流器、UPS等，进一步的普及还要靠厂商提供完善的设计工具，以及客户的软件编写能力。另一方面，许多新电源的设计都要求转换效率更高，瞬时响应要更快，数字电源能很容易根据负载变化而改变工作模式来符合新的要求，这也有助于推广数字电源的应用。他强调说：“在摩尔定律持续推进下，控制器的成本有望降低，而功能更强，这有助降低数字电源的成本及提高它的性能。” Zilker的MacDonald则指出，如果市场只要求电源把一个电压转换成另一个电压，不需要任何特殊性能或者功能，则模拟方案就足够了。但是许多新设计要求时序、追踪、margining、输出监控、更高的效率和自适应故障管理等额外功能。这些趋势正由一些负载器件推动，包括最新型处理器和FPGA。随着这些负载器件日益复杂，电源问题将继续增长，数字电源将继续日益流行。另外，随着数字电源IC制造商开发未来一代器件，这些IC的成本将继续下降，并将允许更多的客户以同样甚至更低的总体成本轻松地选择数字电源并获得更多的功能和更高的集成度。 用数字电源替代模拟电源是可能的，很多全数字电源产品已经出现。目前全数字功率转换产品已经被电源公司推上了场，包括AC-DC电源、高功率DC-DC转换器以及纯粹正弦波转换器，如在线式和后备式UPS，数字电源也已经普遍用于太阳能或其它可更新能源的转换器系统。Hutchings表示：“数字电源将用于更广泛的较低成本和复杂度的功率转换产品，这主要是因为大量数字电源控制芯片出现的驱动。功率转换OEM正转向数字电源，提供更高性能和更低成本方案。” Savadatti则认为数字电源不是要取代模拟电源，而是会开拓新的市场空间。他解释说，数字电源是针对市场对高效可靠电源管理的新需求，现有模拟方案无法满足这种需求。市场对于有成本效益的电源管理解决方案的需求正以前所未有的速度快速增长，为兼顾成本与效率问题的数字电源解决方案创造了发展空间。 例如在数据通讯领域，一个电路板已经可以容纳36~40个电压轨，而在计算领域，20多个电压轨驱动主板上的各种ASIC、内存和处理器芯片组也很常见。这种水平的复杂性要求对各种参数进行精确的诊断、控制和监控，这已经超出的模拟PWM的能力。模拟PWM通常是增加一个单独的微控制器，但这会导致系统成本大幅上升，并提高设计的复杂程度，同时还要占用宝贵的电路板空间。因此，当某项应用要求满足系统级需求同时又能充分发挥出数字电源的优势时，数字电源将取代模拟电源。