數(shù)字電源遭哄搶，眾芯片大佬怎么講？ - 全文

　　數(shù)字電源應(yīng)用版圖正逐漸從高階的云端、電信設(shè)備，向下滲透至液晶電視、個(gè)人電腦及智慧家庭等一般消費(fèi)性應(yīng)用；為搶占市場(chǎng)大餅，數(shù)字電源芯片商已競(jìng)相推出支援PMBus界面的解決方案，以及同時(shí)具備類比和數(shù)字電路的復(fù)合型產(chǎn)品，引爆新一輪技術(shù)競(jìng)賽。

　　數(shù)字電源芯片大戰(zhàn)愈演愈烈。數(shù)字電源應(yīng)用版圖不斷擴(kuò)張，相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求也快速升溫，刺激電源供應(yīng)器與電源芯片開(kāi)發(fā)商加緊推出更高效能的新一代方案，搶攻數(shù)字電源商機(jī)。

　　根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS統(tǒng)計(jì)，2013年全球數(shù)字電源設(shè)備市場(chǎng)，臺(tái)達(dá)電以10.3%市占率奪冠；其次是Eltek及Emerson，各自取得9.1%及 8.8%市占率。另外，在芯片供應(yīng)商部分，德州儀器（TI）則以9.8%市占率領(lǐng)先；英飛凌（Infineon）及Powervation則分別以 9.6%及8.9%緊追在后。

　　從上述數(shù)據(jù)可看出，目前數(shù)字電源市場(chǎng)尚未出現(xiàn)任一芯片商或設(shè)備商壟斷并決定市場(chǎng)發(fā)展走向的一家獨(dú)大局面，頭角崢嶸的新秀及老將須不斷推出創(chuàng)新產(chǎn)品，才有機(jī)會(huì)在數(shù)字電源產(chǎn)業(yè)占有一席之地。

　　圖1　凌力爾特電源產(chǎn)品部門產(chǎn)品行銷總監(jiān)Tony Armstrong表示，凌力爾特正積極拓展具備PMBus界面的PSM。

　　凌力爾特（Linear Technology）電源產(chǎn)品部門產(chǎn)品行銷總監(jiān)Tony Armstrong（圖1）表示，降低系統(tǒng)總體功耗是數(shù)字電源顯著的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。以資料中心伺服器設(shè)備為例，當(dāng)系統(tǒng)欲降低總體功耗時(shí)，會(huì)透過(guò)重新排序工作流程，或是將部分作業(yè)交由未充分利用的伺服器設(shè)備，以使其他的伺服設(shè)備停機(jī)（Shutdown）；而精確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理（PSM）方案能提供用戶設(shè)備功耗的詳細(xì)資訊，從而實(shí)現(xiàn)智能能源管理決策機(jī)制。

　　在有多電源軌的電路板上進(jìn)行電源管理的難度很高，通常需要通過(guò)示波器來(lái)幫忙，而且還經(jīng)常要對(duì)印刷電路板上的元件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)加工。為了簡(jiǎn)化上述電源管理的任務(wù)，透過(guò)數(shù)字匯流排來(lái)配置和監(jiān)控功率的實(shí)作方法已愈來(lái)愈受到市場(chǎng)歡迎，這是運(yùn)用遙測(cè)（Telemetry）技術(shù)，來(lái)設(shè)置、監(jiān)控和更改功率參數(shù)，以達(dá)到電管系統(tǒng)管理的目的。

　　Armstrong指出，凌力爾特的PSM產(chǎn)品線正在持續(xù)成長(zhǎng)，包括同步降壓型直流對(duì)直流（DC-DC）控制器，其整合功率場(chǎng)效電晶體（FET）閘極驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)基于I2C的電源管理匯流排（Power Management Bus， PMBus）界面實(shí)現(xiàn)全面的電源管理功能。

　　事實(shí)上，PSM產(chǎn)品是透過(guò)PMBus界面來(lái)配置和監(jiān)控的，而支援PMBus指令的多寡，則將決定數(shù)字電源擴(kuò)充彈性。PMBus協(xié)定是由幾家主要的電源供應(yīng)器廠商以及半導(dǎo)體制造商共同制定的一套電源管理通訊標(biāo)準(zhǔn)，其采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SMBus界面作為資料的傳輸方式，主機(jī)系統(tǒng)只需根據(jù)單一的通訊協(xié)定即可完成電源管理系統(tǒng)的程式編輯、數(shù)字控制及即時(shí)監(jiān)控等功能。

　　提高數(shù)字電源擴(kuò)充彈性　IR擴(kuò)大支援PMBus指令

　　國(guó)際整流器（IR）行銷總監(jiān)Ramesh Balasubramaniam表示，高效能處理器、特定應(yīng)用積體電路（ASIC）及現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列（FPGA）芯片尺寸越來(lái)越小，這些深次微米技術(shù)需要足夠智能化的電源以達(dá)到快速優(yōu)化，而數(shù)字電源能則能滿足這項(xiàng)需求。另一個(gè)趨勢(shì)則是制造商持續(xù)精簡(jiǎn)電源工程人員的數(shù)量，因此越來(lái)越多的系統(tǒng)架構(gòu)人員也需要設(shè)計(jì)電源，而數(shù)字環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化以及好用的數(shù)字電源對(duì)架構(gòu)層面有很大的幫助。

　　Balasubramaniam進(jìn)一步指出，若要進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)字電源市場(chǎng)版圖，最重要的因素是數(shù)字電源通訊界面的標(biāo)準(zhǔn)化，而PMBus是這方面的關(guān)鍵推手；有鑒于此，PMBus組織持續(xù)透過(guò)更新數(shù)字匯流排的規(guī)格來(lái)統(tǒng)一效能，以迎合上述發(fā)展趨勢(shì)（圖2）。

　　圖2　最新版的PMBus 1.3規(guī)格具備適應(yīng)性電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，可增強(qiáng)電源管控效能。

　　也因此，許多數(shù)字電源芯片商也積極推出支援PMBus的產(chǎn)品，力促數(shù)字電源環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)，包括凌力爾特、國(guó)際整流器等；而為了提高數(shù)字電源方案的擴(kuò)充彈性，目前國(guó)際整流器提供的元件可以執(zhí)行六十個(gè)以上的PMBus指令，較其他競(jìng)爭(zhēng)方案更勝一籌。此外，國(guó)際整流器亦提供廣泛的產(chǎn)品組合，支援寬廣的電流范圍，包括從幾安培的PMBus單相整合FET轉(zhuǎn)換器，至高達(dá)數(shù)百安培的PMBus多相控制器。

　　Balasubramaniam補(bǔ)充，為了成為高效能運(yùn)算市場(chǎng)數(shù)字電源的領(lǐng)導(dǎo)廠商，并提供完整的產(chǎn)品數(shù)字連接套件，實(shí)現(xiàn)智能平臺(tái)電源管理，國(guó)際整流器已于 2011年收購(gòu)CHiL Semiconductor。這項(xiàng)收購(gòu)使國(guó)際整流器的技術(shù)能力擴(kuò)展至數(shù)字功率管理平臺(tái)，為運(yùn)算系統(tǒng)、圖像、伺服器和游戲設(shè)備等應(yīng)用改善功率效率。

　　據(jù)悉，CHiL Semiconductor將專利的數(shù)字技術(shù)與混合訊號(hào)技術(shù)結(jié)合，提供節(jié)省能源的多相位功率解決方案。針對(duì)數(shù)字控制的相關(guān)開(kāi)放式架構(gòu)，讓客戶能因應(yīng)成本和性能目標(biāo)設(shè)計(jì)功率系統(tǒng)，從而顯著減少占位面積及物料清單，并將許多類比功能融合新型數(shù)字電源中。

　　搶攻復(fù)合型電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用商機(jī)　芯片商同步擴(kuò)展MCU/DSC方案

　　眾所周知，數(shù)字電源供應(yīng)相較于類比電源供應(yīng)能提供更多的優(yōu)勢(shì)。比如，在各種負(fù)載與外在環(huán)境的情況下，數(shù)字電源能提供最佳的電源效率；電源供應(yīng)如果完全采數(shù)字電源技術(shù)，通常對(duì)于零件的要求較少，因此就會(huì)有較高的電源密度以及可靠性。

　　微芯（Microchip）MCU16部門產(chǎn)品行銷經(jīng)理Tom Spohrer表示，為縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間和改善經(jīng)濟(jì)規(guī)模，很多設(shè)計(jì)師會(huì)善用數(shù)字電源設(shè)計(jì)技術(shù)，透過(guò)少量設(shè)計(jì)平臺(tái)去設(shè)計(jì)多元產(chǎn)品。數(shù)字控制電源技術(shù)不僅讓單一平臺(tái)能重新設(shè)計(jì)于不同的應(yīng)用，也能讓產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)高銷售量及低單價(jià)的產(chǎn)品。

　　不過(guò)，全數(shù)字的控制方式也會(huì)遇到不少問(wèn)題，主要是在于成本高昂以及研發(fā)不易，為既非適用于全數(shù)字亦非全類比控制方式之間的系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)下了屏障；因此，市場(chǎng)上便衍生出半類比半數(shù)字的復(fù)合型電源轉(zhuǎn)換方案以迎合中間市場(chǎng)的需求。

　　為了同時(shí)鞏固兩種應(yīng)用市場(chǎng)，微芯除了推出全數(shù)字的數(shù)字訊號(hào)控制器（DSC）電源方案外，亦同時(shí)開(kāi)發(fā)出整合微控制器（MCU）的復(fù)合型類比數(shù)字電源轉(zhuǎn)換方案。

　　以該公司的數(shù)字增強(qiáng)型類比電源（DEPA）控制器--MCP19118/9為例（圖3），該元件可為同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器提供簡(jiǎn)易又高效的類比脈沖寬度調(diào)變（PWM）控制，工作電壓可達(dá)40伏特（V），并搭配一個(gè)可配置的數(shù)字MCU。這是業(yè)界首款結(jié)合40V工作電壓和PMBus通訊界面的元件。其內(nèi)建的8位元MCU核心使其具有可程式化的類比控制回路功能，如此可實(shí)現(xiàn)快速的電源轉(zhuǎn)換電路開(kāi)發(fā)。

　　圖3　MCP19118配置示意圖

　　針對(duì)更高階的應(yīng)用，Spohrer則指出，目前有非常多的架構(gòu)可供數(shù)字電源設(shè)計(jì)師選擇，有時(shí)候類比控制器是用來(lái)作為補(bǔ)償器的功能，而MCU大部分用來(lái)做為管理以及通訊功能。雖然它成本較低，但是這個(gè)方案在整個(gè)負(fù)載范圍中，較無(wú)法提供彈性還有更高的效率。

　　意法半導(dǎo)體（ST）資深行銷經(jīng)理Francesca Sandrini亦認(rèn)為，雖然性能正在大幅提升的MCU可能有助于數(shù)字電源市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，但是MCU方案只適用于發(fā)展相當(dāng)成熟穩(wěn)定的應(yīng)用市場(chǎng)，而對(duì)新的數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域影響甚微；因?yàn)樾碌臄?shù)字電源市場(chǎng)需要客制化的解決方案，而數(shù)字訊號(hào)處理器（DSP）或是現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列（FPGA）則可滿足此需求。

　　微芯dsPIC DSC的GS系列正是為了全數(shù)字電源控制的需求所做的設(shè)計(jì)。這些裝置可以使用在非線性、預(yù)測(cè)和適應(yīng)控制運(yùn)算法以將電源效能增加至最大限度。DSC同樣讓客戶可以使用自己的控制技術(shù)并產(chǎn)生差異化方案，進(jìn)而創(chuàng)造凌駕競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品價(jià)值。

　　另一方面，為了降低數(shù)字電源的進(jìn)入門檻，芯片商亦正積極發(fā)展開(kāi)放式平臺(tái)，讓不懂?dāng)?shù)字設(shè)計(jì)的類比電源工程師，也能透過(guò)簡(jiǎn)易的使用者界面快速上手，進(jìn)而設(shè)計(jì)出差異化的數(shù)字電源系統(tǒng)方案。

　　降低數(shù)字電源進(jìn)入門檻　ST力拓開(kāi)放式平臺(tái)

　　Sandrini表示，在數(shù)字電源市場(chǎng)上，成本并不是唯一擴(kuò)展市場(chǎng)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)人員擁有很強(qiáng)的類比電源背景，基本上不會(huì)有人要求類比電源工程師撰寫軟體；相反地，軟體工程師則幾乎沒(méi)有電力電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。不過(guò)，目前開(kāi)發(fā)數(shù)字電源系統(tǒng)的辦法，是讓有經(jīng)驗(yàn)的電源工程師和軟體工程師合作，然而這導(dǎo)致開(kāi)發(fā)人員的數(shù)量增加一倍，僅有為數(shù)不多的企業(yè)能夠承擔(dān)如此龐大的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

　　Sandrini進(jìn)一步剖析，如果想要真正地推廣數(shù)字電源技術(shù)，對(duì)于那些原本熟悉電磁設(shè)計(jì)和印刷電路板布局而不懂繪圖使用者界面（軟體發(fā)展工具）的工程師，芯片商必須針對(duì)他們的不足提供能夠使用的數(shù)字電源解決方案，使其毋須自行動(dòng)手寫軟體代碼，即可獲得數(shù)字電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如此一來(lái)，方能進(jìn)一步降低進(jìn)入數(shù)字電源市場(chǎng)的技術(shù)門檻。

　　有鑒于此，意法半導(dǎo)體針對(duì)電源推出專用的數(shù)字控制平臺(tái)--STNRG，該平臺(tái)整合硬體周邊設(shè)備和相關(guān)應(yīng)用軟體代碼，在不久前又針對(duì)無(wú)線充電推出數(shù)字控制平臺(tái)--STWBC，此為一個(gè)內(nèi)建專用韌體的封閉式平臺(tái)。

　　據(jù)了解，STNRG平臺(tái)在單一芯片上整合數(shù)字芯片和功率區(qū)塊，其中數(shù)字芯片內(nèi)建韌體（特定開(kāi)關(guān)式電源專用韌體）。意法半導(dǎo)體不僅提供數(shù)字控制器、韌體和高壓驅(qū)動(dòng)電路，還提供金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）和整流管，期能成為一站式供應(yīng)商。Sandrini堅(jiān)信，透過(guò)各種簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程的應(yīng)用平臺(tái)，將會(huì)為意法半導(dǎo)體帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使該公司的數(shù)字電源產(chǎn)品受到客戶青睞。

　　另一值得注意的是，提升數(shù)字電源系統(tǒng)的單位功率密度（Power Density），可謂是數(shù)字電源相關(guān)供應(yīng)商目前有志一同所競(jìng)逐的目標(biāo)；而為了達(dá)到此目的，新元件、新技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)也須加快腳步；其中，氮化鎵（GaN）MOSFET應(yīng)用正漸露鋒芒。

　　提高數(shù)字電源功率密度　GaN MOSFET應(yīng)用受矚目

　　為提升數(shù)字電源系統(tǒng)單位功率密度，包括德州儀器等電源芯片大廠已全力投入GaN MOSFET的應(yīng)用效能研究?，F(xiàn)階段，GaN MOSFET在功耗、導(dǎo)通電阻及電源轉(zhuǎn)換效率等方面，表現(xiàn)皆已可超越傳統(tǒng)MOSFET方案，但要大量商用仍須克服制程及成本等問(wèn)題。

　　圖4　德州儀器半導(dǎo)體行銷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理曾生元預(yù)測(cè)，GaN MOSFET的應(yīng)用將是未來(lái)數(shù)字電源領(lǐng)域的研究發(fā)展方向。

　　德州儀器半導(dǎo)體行銷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理曾生元（圖4）表示，數(shù)字電源系統(tǒng)的效率都已推進(jìn)到極致，如今業(yè)界所追求的是單位功率密度的提升。也就是在提供相同功率的前提下，如何縮小尺寸面積；或者是在相同尺寸面積之下，如何讓功率表現(xiàn)更好。

　　曾生元進(jìn)一步指出，要提升數(shù)字電源系統(tǒng)功率密度的最大關(guān)鍵，在于提高脈沖寬度調(diào)變（PWM）的切換頻率。目前，市面上PWM的切換頻率幾乎在150kHz 以下，普遍約介于50k？120kHz之間；而業(yè)界對(duì)于未來(lái)數(shù)字電源系統(tǒng)的期待，則是希望PWM的切換頻率能達(dá)到500kHz，甚至是更高的水準(zhǔn)。 不過(guò)，要提高PWM切換頻率，首先須解決電磁干擾（EMI）問(wèn)題，同時(shí)亦須改善周邊功率元件的效能，使其能輔佐PWM并與之搭配；而MOSFET的選用即是個(gè)中關(guān)鍵。也因此，業(yè)界正積極投入研究GaN MOSFET的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，期能藉此拉高PWM的切換頻率，以進(jìn)一步提高數(shù)字電源系統(tǒng)功率密度。 事實(shí)上，矽制程的MOSFET發(fā)展已有30年之久，開(kāi)始邁入性能成長(zhǎng)的停滯期。為滿足市場(chǎng)對(duì)于更高功率MOSFET的期待，產(chǎn)官學(xué)界已開(kāi)始投入GaN功率元件開(kāi)發(fā)。如今，GaN MOSFET在功耗、驅(qū)動(dòng)電流、導(dǎo)通電阻、起始電壓、電源轉(zhuǎn)換效率等方面，都已被證實(shí)能超越傳統(tǒng)的MOSFET技術(shù)。

　　不過(guò)，曾生元指出，GaN MOSFET仍有它發(fā)展的局限性，主因在于其采用的是全新制程，還未大量商用化，目前也并未被市場(chǎng)大量采用。許多新的GaN MOSFET應(yīng)用效能研究還處于先期嘗試階段，包括數(shù)字電源系統(tǒng)亦然；若真的將產(chǎn)品推到商業(yè)市場(chǎng)，也還會(huì)遇到成本過(guò)高的桎梏，恐將不利于本就因成本問(wèn)題而無(wú)法快速拓展應(yīng)用市場(chǎng)的數(shù)字電源發(fā)展。

　　盡管如此，曾生元仍然認(rèn)為，在數(shù)字電源系統(tǒng)中采用GaN MOSFET將是未來(lái)清晰可見(jiàn)的研究方向，因此包括德州儀器等電源芯片大廠，都早已投入研發(fā)資源積極探究其未來(lái)發(fā)展的可行性。

　　由以上探討不難看出，電源芯片商對(duì)數(shù)字電源方案的發(fā)展前景皆相當(dāng)樂(lè)觀，并已積極厚實(shí)軟體和硬體產(chǎn)品陣容，甚至著手投入新一代GaN功率元件研發(fā)，期迎合電子產(chǎn)品節(jié)能減碳設(shè)計(jì)風(fēng)潮，搭上綠色電子商機(jī)。

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　　編輯點(diǎn)評(píng)：近幾年，使用微處理器控制開(kāi)關(guān)式電源不斷發(fā)展。在數(shù)字電源相比模擬電源的優(yōu)點(diǎn)方面仍存在許多爭(zhēng)議，兩大陣營(yíng)你來(lái)我往、爭(zhēng)論激烈。目前在整個(gè)市場(chǎng)中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例還很小，不過(guò)，隨著越來(lái)越多的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商采用這種技術(shù)，數(shù)字技術(shù)似乎正在成為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。但隨著新興的復(fù)合型或混合信號(hào)型電源轉(zhuǎn)換控制器進(jìn)入市場(chǎng)，正逐漸將電源模式轉(zhuǎn)換為“數(shù)字和模擬擇優(yōu)并存”的實(shí)用主義模式。未來(lái)是在數(shù)字電源一支獨(dú)大，還是模數(shù)二者共存？更多探討可參與由電子發(fā)燒友傾情打造的特色互動(dòng)欄目——瘋PK，詳情：

　　電源轉(zhuǎn)換：數(shù)字一支獨(dú)大，還是模數(shù)二者共存？

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