数字电源时势所趋

近年电源管理技术厂商积极推动”数字电源”新概念,究竟这会对电源设计者带来什么样的好处与冲击呢?

何谓“数字电源”(DIGITAL POWER)？

数字电源就是采用数字接口具有可程序化(programmable)的电源转换器，数字接口(digital interface)与可程序化是数字电源的重要特征，也是其简化产品应用的重要利基。控制器的实现可以模拟电路方式或数字电路方式，数字电源系指采用数字控制方式实现交换式电源供应器的控制回路与接口。与此相较，传统的交换式电源供应器主要采用模拟控制方式实现其控制回路与接口。

数字电源技术的好处对数字电源的设计人员来说将不用再受模拟设计技术的限制，也不必为适应组件变化而使用过大组件；亦不再需要担忧组件漂移和温度补偿问题，生产线后端的人工调整方式将成为历史。而由于设计人员透过软件而不是硬件实现产品的多样化，因此，极少的产品平台就可以满足更广泛的应用需求。除此之外，设计人员还可以透过新的数字拓朴结构以更加灵活的方式开发高功率密度和改善成本效益的电源产品。

这个概念已经推广经年，产业分析师皆认为，数字电源市场可望在未来几年迅速增长。市场研究机构Darnell Group预测数字回路控制技术将于未来5年大放异彩，市场增长率将达到整体电源市场单位增长率的5倍。到了2013年，数字回路控制组件的销售数量，将高达14亿之多。

对于具有模拟与DSP产品技术的厂商更是努力的目标，像是美系ADI(亚德诺)、TI(德州仪器) 、Microchip和日系的瑞萨科技都有相当程度的投入。本文将从数字电源解决方案的信息分享为主，辅以模拟与数字电源架构概念比较说明。

ADI数字电源架构加速高效智能电源设计

去年亚德诺(ADI)推出专门设计的数字电源控制器，电源设计工程师可将其用于高可靠服务器、内存与通信基础设施设备中的AC/DC，以及隔离式DC/DC电源设计。该公司的ADP1043数字脉宽调变(PWM)电源控制与管理组件为设计工程师提供高度整合的电路架构和弹性，利用直观的图形用户接口(GUI)可在几分钟内配置系统功率参数。即使是设计经验较少的工程师也可以利用GUI监控并快速调整电源功能，如频率、时序、电压设置与保护限制。

在进行终端系统设计时，采用ADP1043可帮助系统整合人员优化电源能量效率，缩短设计周期时间，实现智能的电源管理系统。该产品使用专用的单芯片数字控制引擎，可与GUI及工业标准I2C接口协调工作。这款新的电源控制与管理组件采用高整合度电路设计，与竞争的模拟与数字电源控制器相比，减少组件数量。   

ADP1043采用系统芯片技术，适合隔离式电源转换、内部电源管理与监控，从而实现更高效率的电源设计。ADP1043控制器主要包括7个输出PWM；用于编程和数据储存的内建内存；传统的模拟或开放标准数字电流共享方案，用于并联电源操作；金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)OR-ing控制，用于冗余电源操作；差动电压检测与微调，这些特性都可经由I2C进行设置与调整。  

Microchip推出全新7款数字信号控制器

Microchip日前推出七款新一代16-bit dsPIC数字信号控制器(DSC)，因应一般多回路交换式电源供应器(Switch-Mode Power Supplies, SMPS)及其他功率转换应用的需要。这些组件采用了专为数字电源转换而设的DSC封装，且为业界最小的6mm×6mm封装尺寸；产品价格远低于Microchip第一代SMPS系列，却可发挥两倍效能。这些DSC标榜“智能型电源外围(Intelligent Power Peripheral)”，包括专为数字电源应用设计的内部互连模拟比较器(interconnected analog comparators)、脉冲宽度调变模块以及模拟至数字转换器等，并能透过软件、搭配多种拓墣进行配置。高度的弹性，让电源设计人员可以根据特定产品应用的特性，选择最佳配置。此外，新款dsPIC33系列配备在线刻录功能(in-circuit programming)，让一般SMPS平台可于生产流程的后续阶段才进行区分，节省时间及成本。
Microchip高效能微控制器部门副总裁Sumit Mitra表示：“Microchip的数字电源DSC系列，无论在价格、性能、灵活性及效率方面均突破传统，势将引发一场新兴的数字电源革命。”

这七款新型dsPIC33F“GS”系列数字电源DSC，均配备4-8组分辨率为一奈秒(ns)的高速脉冲宽度调变器(PWM)，多达4组20奈秒的比较器，每个比较器上均配备整合数字至模拟转换器以及1-2组可实现低延迟和高分辨率控制，并内建每秒能进行２００～４００万个采样(MSPS)的10-bit模拟至数字转换器(ADC)，能为数字控制回路提供完善支持。该组件并采用18～44接脚，备有6至16 KB闪存，接脚设计可与Microchip第一代数位电源DSC系列兼容。
这些DSC组件的交互式外围配备既可将处理器的干预减至最低，又能符合高速电流模式控制的实时需求。适用于AC/DC转换器、DC/DC功率转换器，以及嵌入式电源控制器、电源换流器、不断电电源供应器(UPS)及数字照明等功率转换应用。除此之外，具备一奈秒分辨率的PWM，可轻易符合各类型交换式电源对精确控制时序的要求，甚至连同步整流器精准控制需求也能符合。Microchip的在线资源中心提供了更多有关数字电源转换的数据，网址为： www.microchip.com/SMPS 。

德州仪器数字电源实验套件加速普及应用

推广数字电源概念不遗余力的德州仪器（TI），除了早有相关组件解决方案(如在2007年即推出的UCD9240是一款将微控制器(MCU)与数字化回授电路均整合在一起的第三代数字电源产品，能够以数字方化控制多达4组独立的数字化回授回路和8组相位，并提升电源转换轻载时的效率达三成以上)外，自去年起亦着力于提供开发工具包加速市场应用。2008年TI推出５套针对特定应用的开发工具包，适用于TMS320F28x数字信号控制器（DSC）。这个模块化套件可迅速建立各种设计的原型，包括DSC通信基础设备、可交换式处理器卡模块或控制卡的工业及商业应用、可存取装置信号的开发电路板实验套件，以及针对特定应用的DC/DC与AC/DC数字电源开发工具包。为进一步缩短开发时间，各套件均内含原始码范例、硬件设计详细信息，以及TI的Code Composer Studio 32KB限定整合式开发工具包环境（IDE）。

TMS320C2000控制卡，可协助OEM厂商以小型（90mmx25mm）抽取式100接脚DIMM卡的全套控制器子系统，迅速建立原型、生产系统。控制卡接口可提供主要的模拟组件、数字I/O信号与JTAG测试接脚，只需输入5V电源，其他电源皆由电路板提供。

数字电源实验套件适合初次使用软件式数字电源管理的人员，包括使用两个TI数字非隔离式PowerTrain模块与F2808控制卡的DC/DC主板。DC/DC主板也包含数字多用电表及主动负载，便于设计工程人员执行瞬时响应分析与调整。DC/DC数字电源开发工具包主要针对以F28044 DSC控制卡为基础的多电极与多相位应用，以展现16电极数字电源控制器的装置效能，适用于产业、通信基础设备与家用电子产品，可迅速建立各种设备的DC负载点电源控制原型。

英飞凌收购美国数字电源IC供货商Primarion

同样拥有MCU与电源技术的英飞凌(Infineon)，去年５月宣布收购美国数字电源IC供货商Primarion，进一步提升公司在电源管理应用领域的实力。英飞凌指出，数字电源在电源供应IC中属于正在快速增长的市场，并逐渐取代现今使用的传统模拟解决方案。数字电源IC的优点包括可以藉由先进的诊断、遥测及非线性控制以调整关键系统参数，让电源供应在任何情况下均可达到最佳的效率及效能，因此可免除庞大的输出电容器，亦无须整合为了“调校”模拟解决方案所需要的被动组件，藉此提升密度并降低系统成本。 (本刊另有专访瑞萨科技副技术长李王权, 以浅显易懂的方式介绍数字电源的发展现况与应用,将在５月制作成在线影片于CTOV频道上播出, 敬请期待.)