最近，在工程設(shè)計人員的詞典中，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，因為電源工程師接受的一般都是模擬技術(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)驗豐富的模擬工程師缺乏時尤其如此，但模擬陣營卻指出模擬設(shè)計成本更低。

“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。”
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，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)字通信報告和狀態(tài)信息，但有一個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，因為電流加大，器件往往產(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。“不幸的是，正如所有新技術(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)象即會煙消云散，”他補充說。

“2004年，業(yè)界的嵌入式設(shè)計到達(dá)一個轉(zhuǎn)折點，即投在功率管理上的時間、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。“數(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誤信號和補償環(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，他補充道：“在選擇功率解決方案時應(yīng)考慮到的前5個推動因素就是成本、成本、成本、成本和尺寸。”

國半的Ambatipudi認(rèn)為工程師完成一個數(shù)字功率設(shè)計要面臨的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，因為他們使用的是電池，”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。”

究竟哪一個才是最好的設(shè)計，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。“最復(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。基于DSP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。”

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單獨的微控制器和一個傳統(tǒng)的模擬控制器以提供總線監(jiān)控。

圖2：功率控制設(shè)計人員面臨復(fù)雜的權(quán)衡取舍

若數(shù)字設(shè)計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過程來決定的。”

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)場的費用。”

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現(xiàn)。

“數(shù)字控制將越來越價廉，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)，后者也花了很長時間才被接受。在數(shù)碼相機面世之初，所有的膠片相機或模擬相機也經(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，答案將會完全不同。

負(fù)載點產(chǎn)品設(shè)計人員面對的權(quán)衡之一是源于產(chǎn)品需要工作在2MHz，同時需從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。為此需要一個亞納秒占空比的分辨率和一個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)計開始真正起飛。