??? 最近，在工程設(shè)計(jì)人員的詞典中，數(shù)字功率和數(shù)字控制已上升成為最重要的術(shù)語。這是一件很奇怪的事，因?yàn)殡娫垂こ處熃邮艿囊话愣际悄M技術(shù)方面的訓(xùn)練，而客戶也是模擬支持者。因此功率控制方案提供商需要一種為模擬工程師架設(shè)通向數(shù)字領(lǐng)域橋梁的方法。

　　然而，真正需要數(shù)字控制嗎？數(shù)字技術(shù)的擁戴者認(rèn)為這種趨勢是無可避免的，在經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師缺乏時(shí)尤其如此，但模擬陣營卻指出模擬設(shè)計(jì)成本更低。

　　“數(shù)字功率管理包 括兩種類型：數(shù)字控制功率轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)級數(shù)字功率管理，”美國國家半導(dǎo)體公司便攜式電源系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)總監(jiān)Ravi Ambatipudi介紹說。他指出，傳統(tǒng)上，功率轉(zhuǎn)換器是和模擬控制環(huán)路以及模擬電路設(shè)計(jì)在一起的。而“在數(shù)字功率管理的最基本形式中，功 率轉(zhuǎn)換器是和完整的數(shù)字控制環(huán)路及數(shù)字電路設(shè)計(jì)在一起的。除了外部輸出濾波器之外，沒有別的模擬元件，”他解釋道，“系統(tǒng)級數(shù)字 功率管理涉及了系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠使用先進(jìn)功率管理專用接口智能地控制電壓調(diào)節(jié)器?！?/p>

　　ADI主張有兩種方法定義數(shù)字功率控制：一是功率控制器的轉(zhuǎn)換器具有串行總線端口時(shí)，或者是由控制環(huán)路本身定義。有些公司(包括ADI)提供的控制器能夠進(jìn)行完全環(huán)路控制并具有SMBus接口、數(shù)字通信報(bào)告和狀態(tài)信息，但有一個(gè)以模擬形式被控制的環(huán)路。

　　既然定義無法達(dá)成一致，而且模擬也一直工作良好，那么，究竟是什么在驅(qū)動(dòng)數(shù)字控制市場呢？

　　Silicon Laboratories公司市場總監(jiān)Don Alfano 認(rèn)為：“首先，現(xiàn)在的設(shè)備都日趨小巧，功能更加密集。這意味著有更多的電路，或電路數(shù)量相同但運(yùn)行更快，從而產(chǎn)生更大的電流。由此一來，就存 在空間和效率的問題，因?yàn)殡娏骷哟螅骷a(chǎn)生過多的熱量。而不斷縮小的工藝尺寸導(dǎo)致了對極精確功率調(diào)節(jié)的需求。”

　　關(guān)于哪一種方案更好，并沒有定論，Maxim公司業(yè)務(wù)經(jīng)理Ahmad Ashrafzadeh指出，復(fù)雜系統(tǒng)的需求為考慮和研究數(shù)字方案以進(jìn)行功率管理做好了鋪墊，這似乎在不久之前還是不可能的?！安恍业氖牵? 如所有新技術(shù)一樣，該技術(shù)也存在著大肆渲染夸張的現(xiàn)象，一旦經(jīng)過它的自然發(fā)展進(jìn)程穩(wěn)定下來，這種現(xiàn)象即會(huì)煙消云散，”他補(bǔ)充說。

　　“2004年，業(yè)界的嵌入式設(shè)計(jì)到達(dá)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即投在功率管理上的時(shí)間、金錢和電路板空間比投在功率轉(zhuǎn)換上的還要多， ”Zilker Labs公司創(chuàng)始人兼市場副總裁 Jim Templeton表示，“對相關(guān)半導(dǎo)體企業(yè)而言，這成為一個(gè)非常有趣的問題。而現(xiàn)在，它是確保集成性的一大重要問題。”

　　這么做的第一步是把功率轉(zhuǎn)換到數(shù)字領(lǐng)域，以支持結(jié)合功率管理和轉(zhuǎn)換功能所需的邏輯密度。

　　Templeton表示，在功率環(huán)境中提及數(shù)字技術(shù)唯一有意義的時(shí)候是在談?wù)撧D(zhuǎn)換環(huán)路(控制功率調(diào)節(jié)的反饋環(huán)路)本身?！皵?shù)字功率 必須包括功率轉(zhuǎn)換方面。在數(shù)字功率中，必須把信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，并在數(shù)字域?qū)﹀e(cuò)誤信號和補(bǔ)償環(huán)路進(jìn)行處理，然后再將其輸出到關(guān)閉環(huán)路的PWM中， ”他指出。

　　Primarion公司工程副總裁Steve Pullen則認(rèn)為，對大多數(shù)功率客戶而言，最棘手的問題只是如何找到時(shí)間和資源來開發(fā)能夠解決復(fù)雜功率管理問題的解決方案。此外，他補(bǔ)充道： “在選擇功率解決方案時(shí)應(yīng)考慮到的前5個(gè)推動(dòng)因素就是成本、成本、成本、成本和尺寸?！?/p>

　　國半的Ambatipudi認(rèn)為工程師完成一個(gè)數(shù)字功率設(shè)計(jì)要面臨的4大挑戰(zhàn)是：

　　1. 把模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。輸出電壓本質(zhì)上是模擬的，要轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字形式，需要高速、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　2. 把數(shù)字環(huán)路濾波器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號，需要用到數(shù)字PWM。要獲得所需的分辨率，需要消耗相當(dāng)大的功率。數(shù)字PWM的分辨率必須大于輸出電壓A/D的分辨率以避免極限環(huán)振蕩(limit-cycle oscillations)。

　　3. 只采用數(shù)字技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)某些控制功能，比如輸入電源電壓前饋(feed-forward)，以及某些系統(tǒng)功能，如限流、振蕩器，電壓電流參考等。

　　4 .需要雙電壓硅工藝技術(shù)來同時(shí)支持面向密集數(shù)字電路的低電壓與面向輸出功率FET或驅(qū)動(dòng)器的高電壓。

圖1：脈沖寬度調(diào)制是數(shù)字功率控制的關(guān)鍵所在

　　“便攜式應(yīng)用中客戶面臨的最大挑戰(zhàn)之一節(jié)省能源，因?yàn)樗麄兪褂玫氖请姵?，”Summit Microelectronics公司應(yīng)用工程主管Tom DeLurio表示，“他們需要關(guān)斷某些功能并動(dòng)態(tài)改變電壓以停止電池的消耗。此外，客戶還希望能夠關(guān)斷那些暫不需要的功能的不同供電電壓， 并把元件數(shù)目減至最少，以適應(yīng)外形日益小巧的設(shè)備。”

　　究竟哪一個(gè)才是最好的設(shè)計(jì)，數(shù)字還是模擬？至今，答案很大程度上取決于應(yīng)用。此外還取決于設(shè)計(jì)人員在數(shù)字和模擬領(lǐng)域的專業(yè)能力。必需考慮到需要集成的部分有哪些，以及哪些東西涉及到工藝技術(shù)。

?目前市場上有大量數(shù)字解決方案推出?！白顝?fù)雜的是基于DSP的解決方案，”Primarion公司的Pullen提及， “這些產(chǎn)品具有最大的靈活性，但很難使用?；贒SP的解決方案需要功率工程師來了解如何進(jìn)行DSP內(nèi)核編程，而功率工程師目前已經(jīng)無暇分 身?！?/p>

　　許多模擬產(chǎn)品供應(yīng)商都正在他們的模擬控制器上增加“數(shù)字包裝”，致使成本提高。其它過渡性的雙芯片解決方案整合了一個(gè)單獨(dú)的微控制器和一個(gè)傳統(tǒng)的模擬控制器以提供總線監(jiān)控。

圖2：功率控制設(shè)計(jì)人員面臨復(fù)雜的權(quán)衡取舍

　　若數(shù)字設(shè)計(jì)階段的成本高于模擬，則有些人想知道數(shù)字技術(shù)怎樣才能更加低廉。“我們提到的成本并不僅限于材料清單和創(chuàng)建并測試電源所 需的開銷，”Silicon Labs的Alfano指出，“成本是由從概念到供貨包括安裝整個(gè)過程來決定的?！?/p>

　　況且，他指出：“數(shù)字電源能夠通過網(wǎng)絡(luò)線接受配置和重配置，所以我們還應(yīng)該看到這節(jié)省了從工廠或本地代表處派遣人員前往安裝現(xiàn)場的費(fèi)用?！?/p>

　　此外，數(shù)字技術(shù)本身存在一些頗具吸引力的功能。例如，數(shù)字技術(shù)讓設(shè)計(jì)人員得以使用新的控制拓?fù)浠蛩惴?，而在模擬技術(shù)中，這些拓?fù)浜退惴m在理論上是可行的，實(shí)現(xiàn)起來卻極為昂貴。數(shù)字控制則可以使用這些新概念，并以合理的成本予以實(shí)現(xiàn)。

　　“數(shù)字控制將越來越價(jià)廉，并將開拓出一片新的應(yīng)用領(lǐng)域，”ADI公司功率及熱管理高級設(shè)計(jì)工程師Anton Bakker表示，“它類似于數(shù)碼攝影技術(shù)，后者也花了很長時(shí)間才被接受。在數(shù)碼相機(jī)面世之初，所有的膠片相機(jī)或模擬相機(jī)也經(jīng)歷相同的事情。 ”

　　歷史正在電源領(lǐng)域重演，Bakker稱，客戶必需著眼于那些他們能夠從數(shù)字控制器的額外功能中獲益的應(yīng)用。目前這是指需要監(jiān)控功能、定制化以及可編程性的高端應(yīng)用，其成本只比模擬控制器稍高。而三到五年后，答案將會(huì)完全不同。

　　負(fù)載點(diǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面對的權(quán)衡之一是源于產(chǎn)品需要工作在2MHz，同時(shí)需從8V轉(zhuǎn)換到1V，德州儀器功率管理產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理Dave Freeman表示。為此需要一個(gè)亞納秒占空比的分辨率和一個(gè)專門處理這一問題的數(shù)字產(chǎn)品，而非一般性的數(shù)字PWM。

　　2005年，只有少量相關(guān)產(chǎn)品推出，F(xiàn)reeman提到。而今年，各公司將開始習(xí)慣與數(shù)字設(shè)計(jì)打交道。而2007年，他預(yù)測，局面應(yīng)該是各公司產(chǎn)品紛呈，選擇充足，競爭激烈，數(shù)字功率設(shè)計(jì)開始真正起飛。