传统电源IC领域几乎全是模拟技术的地盘,然而,随着数字技术的进展,数字电源管理的诸多好处获得实现,因此厂商纷纷投入。
何谓数字电源,简单来说就是采用数字接口并具有可程序化功能的电源转换器,透过新的数字拓朴结构,可更加灵活地开发高功率密度、高转换效率的电源系统。
数字电源管理的概念,主要是以数字接口扮演信号沟通的桥梁,在需要系统能实时反馈的情况下,通过数字电源管理的方式,来达到实时且动态的电源管理效果。且复杂的多电源端系统可透过直觉性 图形用户界面(GUI)进行开发及修改,能简化电路测试和电路板除错(debug)。
整体而言,相较于模拟电源管理IC,数字电源IC具有轻薄短小,以及能将数据具体化等优势,数字电源能够准确及实时显示AC-DC转换时的功耗,更方便管理,且能提供体积更小、效率更高的解决方案。
服务器及高端计算机率先导入数字PMIC
综合而言,虽然数字电源管理IC与模拟电源管理IC仍存在约10%的价差,但在高端服务器、高端笔记本电脑、桌面计算机及工业应用仍颇有发挥空间,因此国际大厂纷纷推出相关解决方案。
图1:数字电源提供更大的设计弹性
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例如Microchip推出dsPIC33 "GS" 数字信号控制器新系列产品,是透过整合高速ADC、零等待状态(zero wait state)信号处理核心,以及高分辨率PWM等,针对数字电源应用进行优化,可实现次微秒数字控制回路。
Microchip的16位微控制器部门副总裁Mitch Obolsky表示,此新产品主要是针对数字电源转换应用提供低成本的选项,并能为AC-DC及DC-AC电源供应器、LED照明、太阳能逆变器以及其他电源转换的应用中提供更高的转换效率。
此外,德州仪器(TI)也于日前针对AC-DC及隔离式DC-DC电源推出一款整合64kB程序闪存的可配置数字电源管理控制器,建议售价为4.9美元。该产品可帮助设计人员实时进行韧体更新,无需关闭电源,与现有解决方案相比,可缩短服务器当机时间,且由于采用独特内存分区架构,因此用户可从内建内存的不同区块同时写入与执行,透过适合的算法,在不同韧体影像间切换执行。TI强调,该功能可缩短服务器与电信基础设备当机时间。
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第2页:数字PMIC开始向消费电子延伸
第3页:新处理平台推升PMIC需求
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数字PMIC开始向消费电子延伸
上述国际大厂所推出的数字电源管理解决方案,多是针对工业及通信应用市场,事实上,随着主板、笔记本电脑、超极本、桌面计算机、电源转换器等装置对于更高转换效率与更小尺寸电源方案需求增温,将带动数字电源应用版图从服务器逐步向外扩张,甚至扩散至消费电子应用领域。
笔记本电脑、智能型手机、平板计算机、数字相机等产品多是采用DC-DC降压式电源供应,其中包括线性转换电源供应(LDO)及交换式电源供应(Switching Power Supply)。而交换式电源供应由于具有高效率电能转换的优势,加上现今数字电路设计,如ADC、DAC及Oscillator等多已发展成熟,因此数字化降压式交换电源受瞩目程度日渐升高,新唐科技便是积极投入的业者之一。
图2:平板装置导入数字PMIC解决方案
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基本上,模拟电路的封闭回路系统包含调制器、输出滤波器和补偿网络等;数字电路的封闭回路系统则有调制器、输出滤波器、ADC与PID控制等。因应不同外部应用组件,传统模拟控制电路为使系统稳定,需要在外部应用电路中加入补偿电路,而数字电路则不需要多余的外部补偿电路,仅需利用多次储存内存(MTP)技术与可程序化的PID数字控制模型,便能优化系统稳定性。
新唐科技副总经理黄瑞明表示,该公司即将推出可运用于主板与服务器的新电源管理IC。不过他也强调,新电源IC解决方案的发展,仍需视英特尔Haswell新平台的推广状况而定。
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第3页:新处理平台推升PMIC需求
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新处理平台推升PMIC需求
英特尔的Haswell处理器平台将上一代处理器平台整合的电源功能再次独立出来,因此对于电源管理IC业者而言,此平台若能推广成功将是一大利多。英特尔的Ivy Bridge架构原本已整合绘图处理器电源和其他功率较小的直流对直流(DC-DC)转换器,但在新一代Haswell处理器平台上,为了提升处理器效率及热管理能力,以避免影响处理器运作,因此又将绘图处理器电源切割出来。
值得注意的是,为让平板装置与智能手机形成市场区隔,许多平板产品采用效能强大的绘图处理器引擎,甚至较笔记本电脑所采用的绘图处理器更为高端,需要更大的输入电流,形成电源管理方面极大的挑战,针对此,单相式DC-DC降压转换器已难以满足此要求。
因此今年以来,芯片商已陆续推出四相、六相式产品,例如德商戴乐格半导体(Dialog Semiconductor)便已推出多相式DC-DC降压转换器,除单一芯片可执行四相式的电路转换,亦可经由合并两颗芯片实现八相式的方案。
此外,戴乐格半导体也发表用于ARM四核心和双核心应用处理器的可配置电源管理IC。该组件可透过其6个DC-DC转换器提供高达12A的电流,相较于最接近的同级产品可提高24%。其可同步供电予处理器(核心5A辅以其他处理器电源)、外部内存、无线通信(WLAN和蓝牙)、GPS和FM接收器以及调制解调器。
再者,此产品的直流转直流(DC-DC)转换器可以并行提供3A和5A电源端,这代表PMIC可经由扩展以因应智能型手机、平板计算机和嵌入式应用等不同系统设计的需求。
与传统模拟设计技术相较,数字控制功能不必为了良好性能而使用特殊组件,设计人员仅需透过控制器内部软件,便能控制频率、时序、回授等主要参数,并调整电源系统轻载及峰值输出效率,还可以整合电压、电流、温度等保护系统。再者,设计人员仅需使用少数产品平台就能满足更广泛的应用需求,种种优点相加,加上与模拟电源管理IC的价差日渐拉近,预期数字电源管理的应用领域将日趋广泛。
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