摘要：  傳統(tǒng)電源IC領域幾乎全是模擬技術的地盤，然而，隨著數(shù)字技術的進展，數(shù)字電源管理的諸多好處獲得實現(xiàn)，因此廠商紛紛投入。

關鍵字：  電源，IC，服務器，PC

傳統(tǒng)電源IC領域幾乎全是模擬技術的地盤，然而，隨著數(shù)字技術的進展，數(shù)字電源管理的諸多好處獲得實現(xiàn)，因此廠商紛紛投入。

何謂數(shù)字電源，簡單來說就是采用數(shù)字接口并具有可程序化功能的電源轉換器，透過新的數(shù)字拓樸結構，可更加靈活地開發(fā)高功率密度、高轉換效率的電源系統(tǒng)。

數(shù)字電源管理的概念，主要是以數(shù)字接口扮演信號溝通的橋梁，在需要系統(tǒng)能實時反饋的情況下，通過數(shù)字電源管理的方式，來達到實時且動態(tài)的電源管理效果。且復雜的多電源端系統(tǒng)可透過直覺性 圖形用戶界面(GUI)進行開發(fā)及修改，能簡化電路測試和電路板除錯(debug)。

整體而言，相較于模擬電源管理IC，數(shù)字電源IC具有輕薄短小，以及能將數(shù)據(jù)具體化等優(yōu)勢，數(shù)字電源能夠準確及實時顯示AC-DC轉換時的功耗，更方便管理，且能提供體積更小、效率更高的解決方案。

服務器及高端計算機率先導入數(shù)字PMIC

綜合而言，雖然數(shù)字電源管理IC與模擬電源管理IC仍存在約10%的價差，但在高端服務器、高端筆記本電腦、桌面計算機及工業(yè)應用仍頗有發(fā)揮空間，因此國際大廠紛紛推出相關解決方案。

例如Microchip推出dsPIC33 “GS” 數(shù)字信號控制器新系列產(chǎn)品，是透過整合高速ADC、零等待狀態(tài)(zero wait state)信號處理核心，以及高分辨率PWM等，針對數(shù)字電源應用進行優(yōu)化，可實現(xiàn)次微秒數(shù)字控制回路。

Microchip的16位微控制器部門副總裁Mitch Obolsky表示，此新產(chǎn)品主要是針對數(shù)字電源轉換應用提供低成本的選項，并能為AC-DC及DC-AC電源供應器、LED照明、太陽能逆變器以及其他電源轉換的應用中提供更高的轉換效率。

此外，德州儀器(TI)也于日前針對AC-DC及隔離式DC-DC電源推出一款整合64kB程序閃存的可配置數(shù)字電源管理控制器，建議售價為 4.9美元。該產(chǎn)品可幫助設計人員實時進行韌體更新，無需關閉電源，與現(xiàn)有解決方案相比，可縮短服務器當機時間，且由于采用獨特內(nèi)存分區(qū)架構，因此用戶可從內(nèi)建內(nèi)存的不同區(qū)塊同時寫入與執(zhí)行，透過適合的算法，在不同韌體影像間切換執(zhí)行。TI強調(diào)，該功能可縮短服務器與電信基礎設備當機時間。

數(shù)字電源市場2017年將增三倍達124億美元

2013-2017年全球數(shù)字電源與數(shù)字電源集成電路(IC)市場將繁榮發(fā)展，越來越多地用于IT基礎設施之中。同時該技術也在向照明與消費導向的應用領域擴展，包括PC、家電和手機。

據(jù)IHS公司旗下IMSResearch的報告“TheWorldMarketforDigitalPower”，預計2017年全球數(shù)字電源市場營業(yè)收入將增至124億美元，是2013年預期水平37億美元的三倍多。今年營業(yè)收入將在2012年27億美元的基礎上強勁增長37%，如圖4所示。預計數(shù)字電源IC市場也會急劇增長，2017年營業(yè)收入將是2013年的五倍多，達到26億美元。

全球數(shù)字電源市場營業(yè)收入預測(單位是10億美元)

IHS公司認為，數(shù)字電源市場目前是電源管理產(chǎn)業(yè)中增長最快的領域之一。早期采用數(shù)字電源的領域包括信息技術與通訊基礎設施應用，比如服務器和電信/數(shù)據(jù)通訊設備。但現(xiàn)在數(shù)字電源也開始進入消費領域。

迷戀數(shù)字電源

目前，生產(chǎn)商主要使用模擬電源管理系統(tǒng)。但是，他們正在向數(shù)字技術轉變，因為它具有靈活性與可編程性，從而可以帶來更高的性能與可靠性。這將降低硬件復雜性，從而降低設計系統(tǒng)所需的時間與精力，最終降低電子系統(tǒng)的成本。

數(shù)字電源減少了分立元件的數(shù)量、降低整體占位面積、提高功率密度和提供監(jiān)控能力，從而降低總體材料清單成本，同時可以在運行過程中優(yōu)化功率級與系統(tǒng)要求。所有這些都可以幫助加快許多產(chǎn)品的上市速度。

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面向消費者的電源

服務器現(xiàn)在是數(shù)字電源的最大單一市場，預計2013年占到整體營業(yè)收入的33%。2012-2017年該領域的復合年度增長率將達44.8%。

增長最快的數(shù)字電源應用領域?qū)⑹钦彰?，預計2012-2017年該領域的復合年度增長率將達146%。增長動力將來自LED照明解決方案的使用不斷增長，這些解決方案適合采用數(shù)字電源控制與監(jiān)控。

同時，在上述預測期內(nèi)，筆記本與平板PC中的數(shù)字電源的復合年度增長將分別達99%和82%。主要家用電器將增長76%，手機將增長52%。

電源芯片

數(shù)字電源的發(fā)展將刺激相關半導體市場快速增長。由于芯片在終端設備中既用于電路板層面，也用于數(shù)字電源之中，所以預計電源IC市場增長速度將快于數(shù)字電源市場。

成本問題

預期成本是阻止數(shù)字電源更快增長的一個障礙。在IHS訪問的制造商與設計者中，總共有27%表示成本仍然是該市場面臨的最大障礙。這突出表明部分潛在使用者對于數(shù)字解決方案可以帶來的總體成本節(jié)省還缺乏了解，也表明在教育電子產(chǎn)品制造商的設計者方面仍有很多工作要做。

我國數(shù)字電源行業(yè)發(fā)展淺析

目前，電源技術可能已經(jīng)達到一個巔峰，前幾年拼轉換效率的做法已經(jīng)告一段落，有技術儲備的廠商開始改走人性化的道路，除了轉換效率之外，還通過對電源其他方面的特性進行提升，由此，融合了狀態(tài)監(jiān)測以及控制的數(shù)字電源逐漸受到市場青睞。[!--empirenews.page--]

數(shù)字電源市場目前是電源管理產(chǎn)業(yè)中增長最快的領域之一。早期采用數(shù)字電源的領域包括信息技術與通訊基礎設施應用，比如服務器和電信/數(shù)據(jù)通訊設備?，F(xiàn)在，數(shù)字電源技術也開始向照明與消費導向的應用領域擴展，包括PC、家電和手機。

市場的必然選擇

隨著半導體工藝技術的不斷升級，電路板上的元器件運行速度更快、體積更小，而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流;最終系統(tǒng)的功能不斷增加，平均售價卻不斷下降。此外，用戶對電源的故障修復時間、電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高，電源設計人員不再滿足于實時監(jiān)控電流、電壓、溫度， 還提出了診斷電源供應情況、靈活設定每個輸出電壓參數(shù)的要求。而這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的。

當模擬電源控制的局限性對上了電源管理發(fā)展新思路的數(shù)字電源的優(yōu)勢時，這個轉換過渡就成了市場發(fā)展的必然結果。數(shù)字電源的目標就是將電源轉換與電源管理架構用數(shù)字方法集成到單芯片中，實現(xiàn)智能、高效的轉換與控制及通信。

相對模擬系統(tǒng)而言，數(shù)字系統(tǒng)在開關電源中具有設計周期短、靈活多變、易實現(xiàn)模塊化管理、能夠消除由離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點。因此，數(shù)字電源在高精度電源中的應用越來越廣泛，成為現(xiàn)代電源技術發(fā)展的一個重要方向。

數(shù)字電源相對模擬電源的重要優(yōu)勢在于數(shù)字器件本身的靈活性。數(shù)字器件控制的電源內(nèi)部參數(shù)可以在線調(diào)整，這就意味著電源的動態(tài)特性是可變的，能順應負載在相當大的范圍內(nèi)變化同時還能保證一定的性能。數(shù)字電源的通訊優(yōu)勢使電源設備具有多樣化的遠程控制方式，這會給設備的運行、監(jiān)察帶來很多好處。

而數(shù)字電源對模擬電源最致命的威脅卻是數(shù)字技術的超快速發(fā)展，它幾乎快的有點讓人喘不過氣來。在幾年前單片機是單片機，DSP是DSP，界線好像挺清楚，現(xiàn)在32位的ARM也好，DSP也好，都是改進型的哈佛結構，構架的差別越來越模糊，性能越來越強，價格卻越來越低。幾年后，當?shù)陀?美元卻集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM輸出的高性能數(shù)字器件放在你面前時，你還會正眼瞧瞧模擬電源嗎?

應用領域不斷擴張

目前數(shù)字電源已打進PC和通訊領域等主流市場，并逐漸滲透至其他電子領域。由于數(shù)位電源可減少周邊元件數(shù)量，并擁有更優(yōu)異的即時控制與軟體配置功能，未來將將逐漸接替模擬電源的地位，快速擴大市場滲透率。

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尤其在云端運算服務蓬勃發(fā)展之際，伺服器激增導致大量耗電，讓資料中心業(yè)者對設備節(jié)能要求更加嚴格，而用戶端設備也訴求長時間待機能力，促使電源設計架構翻新。此新的節(jié)能要求無疑也為壯大數(shù)字電源市場再添動力。

而數(shù)字電源與類比電源相比，不僅性能更高、功能也更加完整，導致很多使用者在低端業(yè)務領域開始采用成本最低的模擬數(shù)位電源，而在高端業(yè)務領域則采用純數(shù)位電源。未來，隨著數(shù)位電源的需求量成長與開發(fā)成本的改善，也將逐漸向低端業(yè)務領域擴張，反觀模擬電源，則會因功能局限性而無法升入高端業(yè)務領域。

為實現(xiàn)更多電源監(jiān)控與用電效率管理的價值，目前高階伺服器和主機板幾乎已全面導入數(shù)位電源，加速取代傳統(tǒng)類比設計。未來，數(shù)位電源的市場發(fā)展更將如星火燎原，切入各個應用市場。

目前，服務器是數(shù)字電源的最大單一市場，預計2013年占到整體營業(yè)收入的33%。2012-2017年該領域的復合年度增長率將達44.8%。而增長最快的數(shù)字電源應用領域?qū)⑹钦彰鳎A計2012-2017年該領域的復合年度增長率將達146%。增長動力將來自LED照明解決方案的使用不斷增長，這些解決方案適合采用數(shù)字電源控制與監(jiān)控。

同時，在上述預測期內(nèi)，筆記本與平板PC中的數(shù)字電源的復合年度增長將分別達99%和82%。主要家用電器將增長76%，手機將增長52%。

當數(shù)字電源需求量明顯成長后，電源供應商也將傾向提供一系列的整合設計方案，而非單一元件，因此投資數(shù)字電源的使用者須針對低、中和高端系統(tǒng)的產(chǎn)品進行設計;其次，他們也需要全套數(shù)位電源開發(fā)工具，包括硬體和圖形使用者介面(GUI)。最后，還須從一個供應商獲得相關周邊元件，如MOSFET，才能創(chuàng)建完整解決方案。

數(shù)字電源的發(fā)展將刺激相關半導體市場快速增長。由于芯片在終端設備中既用于電路板層面，也用于數(shù)字電源之中，所以預計電源IC市場增長速度將快于數(shù)字電源市場。

成本與技術局限

即便現(xiàn)在數(shù)字電源炙手可熱，但工程師們對數(shù)字電源的接受速度似乎并不理想。最大的原因在于，相對于模擬電源而言，數(shù)字電源的成本偏高并涉及專利侵權。

據(jù)全球具有領先地位的關鍵信息、產(chǎn)品、解決方案和服務供應商HIS對制造商與設計者的訪問，總共有27%表示成本仍然是該市場面臨的最大障礙。這突出表明部分潛在使用者對于數(shù)字解決方案可以帶來的總體成本節(jié)省還缺乏了解。而成本控制一直是拿下中國市場的絕對法則，數(shù)字電源雖早在十幾年前就出現(xiàn)了，但是因為高高在上的價格讓它一直局限在一些特殊的高端應用里。

讓人欣慰的是這些年來電子技術的快速進步，讓數(shù)字控制芯片性能不斷飛躍、價格逐漸下跌，數(shù)字電源才開始慢慢滲透占領傳統(tǒng)模擬電源的應用領域。目前兩大半導體巨頭TI與Microchip已相繼推出低成本DSC，使數(shù)字電源的應用不再是“紙上談兵”。不過從目前的情況來看，由于絕大多數(shù)開關電源都是采用傳統(tǒng)的模擬電路，數(shù)字控制電源作為一種新興技術仍處于摸索階段，從設計人員切換到產(chǎn)品定義，再到廣泛應用，數(shù)字電源的規(guī)模應用仍需要一個過程。

同時，人們對于數(shù)字電源產(chǎn)品還有一個擔心，就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應用的考驗，因而可靠性不高。但就像數(shù)字電路在概念上就優(yōu)于模擬電路一樣，可靠性是設計的問題，而不是數(shù)字化的問題。而從用戶的角度來說，也只有當數(shù)字電源的成本等于或低于模擬電源，同時又能提供模擬電源做不到的許多先進功能的時候，數(shù)字電源才會普及。[!--empirenews.page--]

數(shù)字電源中包含的技術無疑是復雜的，但它的使用并不一定就復雜。不過它要求設計人員具有一定的程序設計能力，而目前的電源設計人員普遍都是模擬設計為主，缺乏編程方面的訓練，這對數(shù)字電源的推廣也是一個巨大的障礙。

數(shù)字電源另外一個劣勢在于，模擬控制對信號狀態(tài)的反應是瞬時的，而數(shù)字電源則需要一個采樣、量化和處理的過程來對負載的變化做出反饋，因此它對負載變化的響應速度目前還比不上模擬電源。數(shù)字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。

所以目前的狀況仍是在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，而在可控因素較多、實時反應速度更快、 需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢，多被用上。

一般認為，在設計DC/DC變換器時，通常100W以上的系統(tǒng)中會應用數(shù)字控制技術;而在設計AC/DC變換器時，250W以上的系統(tǒng)會應用數(shù)字技術，這樣電源的經(jīng)濟性會更高一些。因此，在未來的電源系統(tǒng)中，模擬與數(shù)字技術將共存相當一段時間。30年前，電源行業(yè)轉向開關電源是一個很大的變化，而電源數(shù)字化趨勢將會是一個更大的變化。

綜上所述，在簡單易用、參數(shù)變更不多的應用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)。而在可控因素較多、需要更快實時反應速度、需要管理多個電源、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。

數(shù)字電源技術為電源設計領域注入了新的活力，同時也對電源設計人員提出了更高的要求。如何在傳統(tǒng)技術的基礎上不斷創(chuàng)新，進而設計出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)將成為電源設計人員必須面對的新課題。

但我們?nèi)匀幌嘈?，隨著數(shù)字控制技術的發(fā)展和市場需求的驅(qū)動，電源領域里數(shù)字電源的優(yōu)勢將會越來越明顯，缺陷也將逐步得到克服改善。當然我們也明白，從模擬電源到數(shù)字電源的完全轉換還有待時間漸進，因此模擬和數(shù)字控制技術將在未來數(shù)年內(nèi)共存。