數字電源的發展趨勢

10多年前，當數字電源產品第一次出現時

，大多數的電源設計工程師都對利用DSP的數字電源控製器代替模擬的PWMkongzhiqidegainianchihuaiyitaidu，yinweirenmenrongyijiangshuzidianyuanheruanjianguzhanghuozheshiyinweixitongsijiyinqidedianyuanbaozhashigulianxizaiyiqi。zaibaohanleshuzitongxinhekongzhifuzadegonglvxitongsuobixudequanbugongnengxingchanpinmianshizhiqian，zhexiejibengainianshitongguogaochengbendeDSP或者性能有限的FPGAdedaoyanzhengde。suiranshuzidianyuanjishuyibeizhengshijuyoutigaogonglvxitongxingnengdenengli，danyejiehaibunengjieshouliyongshuzijishuchuliyuanlaiyizhitongguomonifangshiwanchengdegongzuo。zaiguoqudejinianjian，shuzidianyuanjishuqudelejudajinbu，shichangfenxirenshiyijitouzizheduiqiweilaizengchangqianlifeichangleguan。

首先，我們要了解一下當前數字電源市場有哪些不同的解決方案，先了解清楚數字電源究竟意味著什麼是很重要的。功率係統監視、監測
、故障檢測和數據記錄是“數字電源管理”的一個重要方麵
，其可以通過價廉的微控製器、FPGA或者PLD實現，而時基要求比較低。不過，數字電源更具有挑戰性的例子是“數字控製電源”，其中有一個或多個電源控製環路
，以高速模數轉換器（ADC）和微控製器、狀態機或DSP控製算法為基礎。

根據半導體市場研究機構IMS估計，全球數字功率半導體市場將從2012年的27億美元增長到2017年的124億美元。服務器現在是數字電源的最大單一市場，預計2013年占到整體營業收入的33%。2012-2017年該領域的複合年度增長率將達44.8%。增長最快的數字電源應用領域將是照明，預計2012至2017年，該領域的複合年度增長率將達146%。其中來自LED照zhao明ming解jie決jue方fang案an的de使shi用yong不bu斷duan增zeng長chang，尤you其qi是shi需xu要yao滿man足zu切qie相xiang調tiao光guang解jie決jue方fang案an適shi合he采cai用yong數shu字zi電dian源yuan控kong製zhi來lai實shi現xian對dui不bu同tong相xiang位wei調tiao光guang器qi的de兼jian容rong性xing。同tong時shi，筆bi記ji本ben與yu平ping板ban電dian腦nao中zhong的dePFC數字電源的複合年度增長將分別達99%和82%。主要家用電器中數字電源將增長76%，手機中數字電源將增長52%。從中可以看出，未來幾年內數字電源的營收增長勢頭將遠遠超過模擬電源。

迄今為止市場上出現的專用數字控製器中
，大多數是隔離DC/DC和AC/DC功率因數校正（PFC）
，它們之所以在市場上獲得更多認可的原因，主要是在於最近幾年市場上蓬勃發展的智能手機/平板快速充電的需求日益提高，和更加節能綠色的LED照明替換傳統照明的大勢所趨。此外，市場上對非隔離DC/DC功率轉換（例如電壓調節模塊（VRM）和POL轉換器）的數字化需求也日益增加。

數字PFC控製器的功能性要求與POL控製器截然不同。PFC穩壓器對於負載調節精度要求較低，而且工作在更低的開關頻率和更低的控製環路帶寬下
，容易帶來量化誤差以及ADC分辨率下降等設計挑戰。此外，PFC控製器存在獨特的設計問題，需要豐富的係統知識和經驗。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開關穩壓所產生噪聲的電磁幹擾（EMI）濾波器。數字PFC穩壓器可以整合功能以降低對EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據所采用的控製算法和工作模式（比如不連續傳導模式、連續傳導模式或者邊界傳導模式）的不同，模擬PFC控製器可以分為好幾類。每一種PFC工作模式都有其優缺點，在不同功率級更為顯著。數字PFC控製器可以被分配在任一種PFC控製模式下。

不論是對PFC應用

，還是POL應用
，一個可以配置在許多OEM（原始設備製造商）產品平台上的控製器有助於加快開發速度
，並減少需維護的元件庫存，以提高更高的價值。
數字電源更適合於更大功率的應用，因為這類應用需要一個或多個PFC（功率因數校正）穩壓器、duogegelihefeigelidedianyuangui
，yijifuzadelengquewenduquxian。fuwuqidianyuanxitongjiushishuzikongzhihedianyuanguanlizaifenbushidianyuanjiagouzhongtigongxingnenghexiaolvyoushideshilizhiyi。suizheyuelaiyueduodeshuzidianyuanjinrudaofuwuqihejisuangonglvlingyu，qitadagonglvDPA（分布式電源架構）係統（比如用於電信和數據通信的DPA係統）開始采用數字電源解決方案。

POL轉換器一般為低電壓

、大電流數字負載（如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動態特性的數字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調節，同時利用純模擬控製技術來滿足近200A/ns的負載瞬態要求變得越來越困難。有些數字控製器能夠提供在同類模擬IC中難以實現的功能，例如非線性控製。事實上
，幾乎所有的POL數字控製器都包含了一些不同的旨在改善瞬態響應的控製技術。這些專用控製算法構成了傳統模擬電源公司進入數字電源開發的門檻。Altera的電源事業部在去年成功收購創新電源公司Enpirion的基礎上
，成功於今年12月在市場上推出一係列高性能的全集成數字電源解決方案。其中，EM1130內部采用數字內核實現控製環路，可以滿足極為嚴苛的瞬態要求，實現極低的紋波電壓（5mV峰峰值），以及在輸出電壓範圍（0.6V~1.5V）實現極高的精確穩壓±0.5%。同時可以支持PMBus通信接口，可以實現遠程精確的電流
、電壓和溫度監控。

不bu論lun是shi模mo擬ni還hai是shi數shu字zi方fang案an
，為wei市shi場chang應ying用yong開kai發fa的de電dian源yuan對dui於yu成cheng本ben特te別bie敏min感gan。在zai對dui數shu字zi和he模mo擬ni電dian源yuan解jie決jue方fang案an兩liang者zhe的de成cheng本ben進jin行xing比bi較jiao時shi
，必bi須xu從cong係xi統tong整zheng體ti角jiao度du出chu發fa，包bao括kuo設she計ji成cheng本ben、工藝開發、測試
、驗證、製造、庫存控製、外圍元器件節省以及可靠性導致的維護成本等。
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數字控製比模擬控製具有某些更好的性能、設計更靈活且在複雜的設計中更容易上手使用。如下總結的六個方麵的性能決定了模擬電源被數字電源取代的主要原因。

(1)瞬態響應：控kong製zhi機ji製zhi極ji大da影ying響xiang了le係xi統tong的de瞬shun態tai響xiang應ying。例li如ru
，與yu電dian流liu模mo式shi相xiang比bi，磁ci滯zhi控kong製zhi器qi的de瞬shun態tai響xiang應ying會hui有you很hen大da不bu同tong。每mei種zhong控kong製zhi模mo式shi都dou既ji有you優you點dian

，也ye有you缺que點dian。數shu字zi解jie決jue方fang案an能neng無wu縫feng地di從cong一yi種zhong模mo式shi轉zhuan換huan到dao另ling一yi種zhong模mo式shi，從cong而er提ti供gong最zui優you的de瞬shun態tai響xiang應ying。

(2)效率：許多應用條件都會影響到效率
，包括死區時間、開關頻率、柵極驅動等級、二er極ji管guan仿fang真zhen和he相xiang移yi等deng。針zhen對dui這zhe些xie因yin素su
，當dang前qian數shu字zi控kong製zhi所suo提ti供gong的de數shu字zi控kong製zhi算suan法fa在zai整zheng個ge工gong作zuo條tiao件jian範fan圍wei內nei進jin行xing了le優you化hua。因yin此ci，在zai某mou個ge工gong作zuo點dian下xia，也ye許xu能neng將jiang模mo擬ni控kong製zhi器qi調tiao整zheng到dao很hen高gao的de效xiao率lv，但dan數shu字zi控kong製zhi器qi卻que可ke對dui所suo有you的de工gong作zuo點dian進jin行xing優you化hua。

(3)調節精度：一般來說
，調節精度是根據線電壓、負(fu)載(zai)和(he)溫(wen)度(du)來(lai)定(ding)義(yi)的(de)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)條(tiao)件(jian)中(zhong)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)調(tiao)節(jie)精(jing)度(du)。數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)監(jian)視(shi)這(zhe)些(xie)條(tiao)件(jian)，並(bing)采(cai)取(qu)控(kong)製(zhi)措(cuo)施(shi)，在(zai)整(zheng)個(ge)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)範(fan)圍(wei)內(nei)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)。

(4)穩定性：數字控製能夠提供比模擬方案更好的補償（更好地調用極點和零點），因yin此ci在zai穩wen定ding性xing上shang的de控kong製zhi要yao好hao很hen多duo。另ling外wai，補bu償chang能neng夠gou隨sui著zhe條tiao件jian的de變bian化hua而er變bian化hua
，使shi係xi統tong能neng在zai很hen寬kuan範fan圍wei的de條tiao件jian下xia實shi現xian最zui佳jia的de穩wen定ding性xing。模mo擬ni控kong製zhi器qi的de補bu償chang是shi固gu定ding的de
，而er數shu字zi控kong製zhi可ke提ti供gong可ke調tiao的de甚shen至zhi是shi自zi適shi應ying的de補bu償chang。

(5)故障響應：shuzidianyuankongzhiqitigongledaliangguzhangxiangyingdexuanxiang。meizhongguzhangdouyouweiyidexiangyingtexing，kegenjuyonghudexuqiujinxingtiaozheng。monikongzhiqiyibanzhiyouyigegudingdeguzhangxiangying（如斷電/斷續/過載），用戶也隻能選擇用或者不用。數字控製還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

(6)可靠性：減少元件數量和降低工作溫度（通過效率優化）是數字電源提高係統可靠性的兩個途徑。此外
，靈活的故障響應和探測元器件參數微小變化的能力，可以大幅減少停機時間。

如(ru)今(jin)，數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)在(zai)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)普(pu)及(ji)正(zheng)在(zai)加(jia)快(kuai)。以(yi)通(tong)信(xin)基(ji)站(zhan)係(xi)統(tong)舉(ju)例(li)，如(ru)果(guo)能(neng)夠(gou)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)參(can)數(shu)
，則(ze)可(ke)更(geng)好(hao)地(di)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)，進(jin)而(er)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)。基(ji)帶(dai)單(dan)元(yuan)必(bi)須(xu)具(ju)備(bei)強(qiang)大(da)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)能(neng)力(li)，以(yi)處(chu)理(li)大(da)量(liang)數(shu)據(ju)和(he)語(yu)音(yin)流(liu)量(liang)。上(shang)電(dian)/斷電期間
，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開啟/關guan閉bi。需xu要yao對dui基ji帶dai工gong作zuo過guo程cheng中zhong的de電dian流liu和he溫wen度du進jin行xing監jian測ce，以yi確que保bao係xi統tong工gong作zuo在zai容rong限xian範fan圍wei內nei
，並bing在zai必bi要yao時shi提ti供gong報bao警jing或huo故gu障zhang指zhi示shi信xin號hao。另ling外wai
，遠yuan端duan控kong製zhi功gong能neng和he先xian進jin的de故gu障zhang管guan理li功gong能neng能neng夠gou確que保bao基ji站zhan實shi現xian更geng高gao的de可ke靠kao性xing。

如ru果guo采cai用yong模mo擬ni方fang案an
，這zhe些xie功gong能neng將jiang需xu要yao多duo個ge器qi件jian和he電dian源yuan管guan理li的de支zhi持chi。而er數shu字zi方fang案an則ze可ke降jiang低di設she計ji複fu雜za度du，隻zhi需xu獨du立li的de電dian源yuan管guan理li芯xin片pian。基ji站zhan電dian源yuan往wang往wang要yao求qiu非fei常chang複fu雜za的de電dian源yuan管guan理li控kong製zhi器qi
，每mei項xiang功gong能neng需xu要yao多duo個ge分fen立li元yuan件jian配pei合he。設she計ji方fang案an的de總zong電dian路lu板ban麵mian積ji和he複fu雜za度du也ye相xiang應ying增zeng長chang。另ling外wai
，由you於yu基ji站zhan工gong作zuo在zai極ji端duan溫wen度du條tiao件jian下xia，設she計ji方fang案an必bi須xu在zai較jiao寬kuan的de工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei內nei保bao持chi可ke靠kao。對dui於yu傳chuan統tong的de模mo擬ni電dian源yuan方fang案an
，隻zhi能neng在zai單dan一yi工gong作zuo條tiao件jian下xia設she置zhi補bu償chang
，而er又you必bi須xu解jie決jue寬kuan工gong作zuo範fan圍wei問wen題ti。同tong時shi

，無wu源yuan器qi件jian（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補償的複雜度。

數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)可(ke)作(zuo)為(wei)更(geng)好(hao)的(de)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)，數(shu)字(zi)架(jia)構(gou)中(zhong)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)補(bu)償(chang)
，並(bing)有(you)利(li)於(yu)優(you)化(hua)帶(dai)寬(kuan)。更(geng)大(da)頻(pin)寬(kuan)的(de)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)有(you)助(zhu)於(yu)改(gai)善(shan)係(xi)統(tong)容(rong)限(xian)或(huo)省(sheng)掉(diao)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)，從(cong)而(er)縮(suo)小(xiao)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)參(can)數(shu)隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)
，自(zi)動(dong)補(bu)償(chang)功(gong)能(neng)能(neng)夠(gou)自(zi)適(shi)應(ying)調(tiao)整(zheng)


，適(shi)應(ying)條(tiao)件(jian)的(de)變(bian)化(hua)，從(cong)而(er)在(zai)整(zheng)個(ge)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)實(shi)現(xian)最(zui)優(you)設(she)計(ji)。

在(zai)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)方(fang)麵(mian)
，數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)作(zuo)用(yong)也(ye)非(fei)常(chang)大(da)。在(zai)正(zheng)確(que)實(shi)現(xian)時(shi)，數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)有(you)可(ke)能(neng)通(tong)過(guo)占(zhan)空(kong)比(bi)優(you)化(hua)和(he)自(zi)適(shi)應(ying)直(zhi)通(tong)控(kong)製(zhi)，在(zai)滿(man)足(zu)瞬(shun)態(tai)要(yao)求(qiu)的(de)同(tong)時(shi)，實(shi)現(xian)更(geng)低(di)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)、關鍵時序的實時適應（比如同步整流或者諧振死區時間）、切qie相xiang以yi及ji根gen據ju負fu載zai電dian流liu變bian換huan工gong作zuo模mo式shi等deng等deng，在zai一yi定ding程cheng度du上shang提ti高gao效xiao率lv。由you於yu係xi統tong功gong率lv根gen據ju負fu載zai要yao求qiu進jin行xing更geng有you效xiao的de管guan理li，故gu數shu字zi控kong製zhi能neng夠gou提ti高gao總zong體ti效xiao率lv。這zhe裏li，不bu得de不bu再zai次ci提ti到daoEM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低係統靜態功耗的成功案例。通過SmartVID雙向通信接口應用，EM1130可以幫助Arria10的靜態功耗顯著降低——通過實際測試，可以幫助A10的靜態功耗降低多達40%
，且不會影響FPGA本身的工作性能表現。這個產品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠家實現高性能和低功耗的顯著設計目標。

任何數字功率控製器獲得成功的基本要求之一是可行的，易於使用的圖形用戶界麵（GUI）。許多功率設計工程師都很快認同需要數字控製器來提供全麵的設計靈活性。通過可編程命令來實現靈活性
，需要對軟件層、劃分、保護功能和命令分組進行謹慎周密的考慮。GUI必需直觀，操作簡單自然，最為重要的是



，必須全天候工作。

電源行業開始逐步向數字電源轉變。模擬控製器內存在著組合邏輯、時鍾

、jishuqihedingshiqidengshuzineirong。suizhehunhexinhaoshejiliuchengbuduanjinbu，zheyouwangdadatigaoshuzihemoniyuanjianzhijianguanxideyouhuachengdu。genjumubiaoyingyongdefuzaqingkuang，mouxiegongnengkenengzuihaocaiyongshuzichuli。erlingyixiegongnenggengshiheyumonilingyu。daduoshurenshidaoshuzidianyuanjiazhidezishendianyuanshejirenyuandoujiangxiangyinggengxinzijideshejijineng

，buguanduicaiyongshijiandiandekanfaruhebutong
，youyidianshiquedingde：數字電源乃大勢所趨。

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