大势所趋的数字电源设计方式

前言：早在十几年前，诸如德州仪器、Microchip等公司就已经在传统的模拟电源设计中，混入了数字化的零件，现今信息产品在要求上要有更小的体积、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，传统的模拟供电架构已经明显不敷这方面的应用。

电源技术发展趋势

图说：交换式电源转换系统。（资料来源：交通大学）

信息产业往更小的制程发展，期望能为功耗问题带来正面的解决方式，然而芯片整合的功能越来越多，速度越来越快，新制程所带来的往往是更高的耗电与发热。然而新一代的信息产品不是在外型上，便是在体积上大做文章，信息产品体积缩小有几个好处，首先便是在大范围应用方面，比如说企业机房内部，当服务器的体积能够有效缩小，便能够在同样的单位面积之内，安装更多的设备，并且提供更多的服务，换句话说，设备体积越小，企业便可以用更小的机房面积来取得同等的菜单现。只是设备体积的微缩，相对而言，电源供应系统也必须配合微缩，而且所能供给的电力负载还必须能维持甚至超越过去的水平，这对电源设计厂商来说是相当严苛的挑战。

■数字电源设计有助缩小设备体积与增强管理能力

图说：数字与模拟回路比较。（资料来源：交通大学）

虽然机器的体积缩小了，但是随着效能与功能的增加，这些相对小的设备在功耗方面却不会有丝毫的减少，为了满足这些设备的供电需求，而又要能将电源供应模块塞进这些轻薄的机壳内，除了藉助绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、智能IGBT功率模块（IPM）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、超过恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型磁材料和变压器、EMI滤波器等高效能组件以外，数字化PWM以及全数字化控制也都能够有助于缩减电源供应模块所占的体积。

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。

一般而言，采用全数字化控制技术，可以有效缩小电源体积，降低成本，并且提升设备的可靠性和对使用者的适应性。整个电源的讯号取样、处理、控制（包括电压电流等环节）、通讯等均采用DSP技术，可以获得一致的稳定的控制参数。

数字化电源控制可以采用更加灵活的方式，比如说电源供应器可以在各种电压、温度下动态调整并最佳化电源的输出，如降额保护、PFC数字控制谐波。利用DSP技术可以实现更简单稳定的通讯和均流，并且获得良好的EMC控制。数字组件可提供的智能化程度更高，因此诸如灵活的LED警示组合，自我监控能力以及远程通讯机制都可以轻易达成。数字化设计也可以有效减少组件使用数量并提高模块化的程度、以及提高功率密度。消除模拟控制技术的组件离散性和温度飘移，保证每个模块均达到最优指针，提高电源可靠性。模块智能化程度更高，易于使用维护。

■手持式装置电源管理趋向高度整合与数字化设计

而在手持式装置上，对于电源管理的机制更是不断的进步。原本手持式装置所主打的行动便利性，却逐渐被多功能、高效能导向口号所取代，在电池技术未得到突破性的发展之前，只能诉求更有效率的电源管理方式。

图说：2G与3G手机的功耗分布比较。（资料来源：Planet Analog）

目前主流的行动装置通常都会整合视讯、音效、照相／录像、档案储存／编辑等多种功能，比如PMP，能够完成音效与视讯播放、录像和档案储存等工作，手机能够拍照、听音乐甚至利用无线模块进行上网动作。这些不同的功能通常都是透过相对应的组件来达成，然而这些组件需要不同的电压供应才能正常动作，而且要求电压质量稳定可靠、干净、高效能，这也是设计电源管理所面临的挑战。在这些日趋复杂化电源管理系统中，1款产品可能会同时需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多种电压供给，如何有效地管理多种电压，并且使之互不干扰，是电源设计中正面临的一个难题。

以目前的发展而言，电源系统单芯片（power-system-on-a-chip）的整合是整个行动应用，甚至是产业界的长期趋势，理所当然，手持式行动装置的的电源供应设计也是遵循这个趋势，并且朝向更高阶的芯片整合度发展。

过去行动装置的电源系统是由许多零散的模拟零件所组成，但是在新近的产品已经看不到这样的过时设计。原先行动装置电源供应模块在功能方面的设计趋势，主要是整合并尽量缩小这些离散模拟电源零件的体积，之后则是把这些零件整合至1颗或少数几颗电源管理组件中。而这些电源零件开始加入越来越多的功能和智能管理能力，在应用范围方面也逐渐普及到其它领域，并且进入各种不同类型的行动装置的设计之中（比如说GPS、掌上型游乐器、PMP、行动电视等产品）。

芯片整合的理由对于整个电子产业都相同：把更多功能整合至更少零件后，产品成本即可大幅下降，因为制造这些产品所需的组件数目和电路板面积都会减少、产品的组装和制造程序会更简单，藉此可达到更高的系统可靠性并能大幅缩短测试时间。此外，更高的芯片整合度也能提高研发流程的效率，从而缩短制造商的新产品上市时间，对于提升产品竞争力而言有着莫大的帮助。