数字高性能负载应用的智能全集成数字电源解决方案

据半导体市场研究机构IMS估计，全球数字功率半导体市场将从2012年的27亿美元增长到2017年的124亿美元。服务器现在是数字电源的最大单一市场，预计2013年占到整体营业收入的33%。2012-2017年该领域的复合年度增长率将达44.8%。增长最快的数字电源应用领域将是照明，预计2012至2017年，该领域的复合年度增长率将达146%。其中来自LED照明解决方案的使用不断增长，尤其是需要满足切相调光解决方案适合采用数字电源控制来实现对不同相位调光器的兼容性。同时，笔记本与平板电脑中的PFC数字电源的复合年度增长将分别达99%和82%。主要家用电器中数字电源将增长76%，手机中数字电源将增长52%。从中可以看出，未来几年内数字电源的营收增长势头将远远超过模拟电源。

　　迄今为止市场上出现的专用数字控制器中，大多数是隔离DC/DC和AC/DC功率因数校正(PFC)，它们之所以在市场上获得更多认可的原因，主要是在于最近几年市场上蓬勃发展的智能手机/平板快速充电的需求日益提高，和更加节能绿色的LED照明替换传统照明的大势所趋。此外，市场上对非隔离DC/DC功率转换(例如电压调节模块(VRM)和POL转换器)的数字化需求也日益增加。

　　数字PFC控制器的功能性要求与POL控制器截然不同。PFC稳压器对于负载调节精度要求较低，而且工作在更低的开关频率和更低的控制环路带宽下，容易带来量化误差以及ADC分辨率下降等设计挑战。此外，PFC控制器存在独特的设计问题，需要丰富的系统知识和经验。AC/DC电源一般需要能够降低谐波失真和开关稳压所产生噪声的电磁干扰(EMI)滤波器。数字PFC稳压器可以整合功能以降低对EMI滤波器的要求，可以使得EMI滤波器更小更高效。根据所采用的控制算法和工作模式(比如不连续传导模式、连续传导模式或者边界传导模式)的不同，模拟PFC控制器可以分为好几类。每一种PFC工作模式都有其优缺点，在不同功率级更为显着。数字PFC控制器可以被分配在任一种PFC控制模式下。

　　不论是对PFC应用，还是POL应用，一个可以配置在许多OEM(原始设备制造商)产品平台上的控制器有助于加快开发速度，并减少需维护的元件库存，以提高更高的价值。

　　数字电源更适合于更大功率的应用，因为这类应用需要一个或多个PFC(功率因数校正)稳压器、多个隔离和非隔离的电源轨，以及复杂的冷却温度曲线。服务器电源系统就是数字控制和电源管理在分布式电源架构中提供性能和效率优势的实例之一。随着越来越多的数字电源进入到服务器和计算功率领域，其他大功率DPA(分布式电源架构)系统(比如用于电信和数据通信的DPA系统)开始采用数字电源解决方案。　　POL转换器一般为低电压、大电流数字负载(如FPGA、微处理器、DSP及其他具有极高动态特性的数字电路)提供电压。保持电压在1V左右的精确调节，同时利用纯模拟控制技术来满足近200A/ns的负载瞬态要求变得越来越困难。有些数字控制器能够提供在同类模拟IC中难以实现的功能，例如非线性控制。事实上，几乎所有的POL数字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬态响应的控制技术。这些专用控制算法构成了传统模拟电源公司进入数字电源开发的门槛。Altera的电源事业部在去年成功收购创新电源公司Enpirion的基础上，成功于今年12月在市场上推出一系列高性能的全集成数字电源解决方案。其中，EM1130内部采用数字内核实现控制环路，可以满足极为严苛的瞬态要求，实现极低的纹波电压(5mV峰峰值)，以及在输出电压范围(0.6V~1.5V)实现极高的精确稳压±0.5%。同时可以支持PMBus通信接口，可以实现远程精确的电流、电压和温度监控。

　　不论是模拟还是数字方案，为市场应用开发的电源对于成本特别敏感。在对数字和模拟电源解决方案两者的成本进行比较时，必须从系统整体角度出发，包括设计成本、工艺开发、测试、验证、制造、库存控制、外围元器件节省以及可靠性导致的维护成本等。

　　数字控制比模拟控制具有某些更好的性能、设计更灵活且在复杂的设计中更容易上手使用。如下总结的六个方面的性能决定了模拟电源被数字电源取代的主要原因。

　　(1)瞬态响应：控制机制极大影响了系统的瞬态响应。例如，与电流模式相比，磁滞控制器的瞬态响应会有很大不同。每种控制模式都既有优点，也有缺点。数字解决方案能无缝地从一种模式转换到另一种模式，从而提供最优的瞬态响应。

(2)效率：许多应用条件都会影响到效率，包括死区时间、开关频率、栅极驱动等级、二极管仿真和相移等。针对这些因素，当前数字控制所提供的数字控制算法在整个工作条件范围内进行了优化。因此，在某个工作点下，也许能将模拟控制器调整