近年電源管理技術廠商積極推動”數位電源”新概念,究竟這會對電源設計者帶來什麼樣的好處與衝擊呢?
何謂「數位電源」(DIGITAL POWER)？
數位電源就是採用數位介面具有可程式化(programmable)的電源轉換器，數位介面(digital interface)與可程式化是數位電源的重要特徵，也是其簡化產品應用的重要利基。控制器的實現可以類比電路方式或數位電路方式，數位電源係指採用數位控制方式實現交換式電源供應器的控制迴路與介面。與此相較，傳統的交換式電源供應器主要採用類比控制方式實現其控制迴路與介面。
數位電源技術的好處對數位電源的設計人員來說將不用再受類比設計技術的限制，也不必為適應元件變化而使用過大元件；亦不再需要擔憂元件漂移和溫度補償問題，生產線後端的人工調整方式將成為歷史。而由於設計人員透過軟體而不是硬體實現產品的多樣化，因此，極少的產品平台就可以滿足更廣泛的應用需求。除此之外，設計人員還可以透過新的數位拓樸結構以更加靈活的方式開發高功率密度和改善成本效益的電源產品。
這個概念已經推廣經年，產業分析師皆認為，數位電源市場可望在未來幾年迅速成長。市場研究機構Darnell Group預測數位迴路控制技術將於未來五年大放異彩，市場增長率將達到整體電源市場單位成長率的五倍。到了2013年，數位迴路控制元件的銷售數量，將高達14億之多。
對於具有類比與DSP產品技術的廠商更是努力的目標，像是美系ADI(亞德諾)、TI(德州儀器) 、Microchip和日系的瑞薩科技都有相當程度的投入。本文將從數位電源解決方案的資訊分享為主，輔以類比與數位電源架構概念比較說明。
ADI數位電源架構加速高效智慧電源設計
去年亞德諾(ADI)推出專門設計的數位電源控制器，電源設計工程師可將其用於高可靠伺服器、記憶體與通訊基礎設施設備中的AC/DC，以及隔離式DC/DC電源設計。該公司的ADP1043數位脈寬調變(PWM)電源控制與管理元件為設計工程師提供高度整合的電路架構和彈性，利用直觀的圖形用戶介面(GUI)可在幾分鐘內配置系統功率參數。即使是設計經驗較少的工程師也可以利用GUI監控並快速調整電源功能，如頻率、時序、電壓設置與保護限制。
在進行終端系統設計時，採用ADP1043可幫助系統整合人員優化電源能量效率，縮短設計週期時間，實現智慧的電源管理系統。該產品使用專用的單晶片數位控制引擎，可與GUI及工業標準I2C介面協調工作。這款新的電源控制與管理元件採用高整合度電路設計，與競爭的類比與數位電源控制器相比，減少元件數量。
ADP1043採用系統晶片技術，適合隔離式電源轉換、內部電源管理與監控，從而實現更高效率的電源設計。ADP1043控制器主要包括7個輸出PWM；用於編程和資料儲存的內建記憶體；傳統的類比或開放標準數位電流共用方案，用於並聯電源操作；金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)OR-ing控制，用於冗餘電源操作；差動電壓檢測與微調，這些特性都可經由I2C進行設置與調整。
Microchip推出全新七款數位訊號控制器
Microchip日前推出七款新一代16-bit dsPIC數位訊號控制器(DSC)，因應一般多迴路交換式電源供應器(Switch-Mode Power Supplies, SMPS)及其他功率轉換應用的需要。這些元件採用了專為數位電源轉換而設的DSC封裝，且為業界最小的6×6 毫米封裝尺寸；產品價格遠低於Microchip第一代SMPS系列，卻可發揮兩倍效能。這些DSC標榜「智慧型電源週邊(Intelligent Power Peripheral)」，包括專為數位電源應用設計的內部互連類比比較器(interconnected analog comparators)、脈衝寬度調變模組以及類比至數位轉換器等，並能透過軟體、搭配多種拓墣進行配置。高度的彈性，讓電源設計人員可以根據特定產品應用的特性，選擇最佳配置。此外，新款dsPIC33系列配備線上燒錄功能(in-circuit programming)，讓一般SMPS平台可於生產流程的後續階段才進行區分，節省時間及成本。
Microchip高效能微控制器部門副總裁Sumit Mitra表示：「Microchip的數位電源DSC系列，無論在價格、性能、靈活性及效率方面均突破傳統，勢將引發一場新興的數位電源革命。」
這七款新型dsPIC33F「GS」系列數位電源DSC，均配備4至8組解析度為一奈秒(ns)的高速脈衝寬度調變器(PWM)，多達4組20奈秒的比較器，每個比較器上均配備整合數位至類比轉換器以及1至2組可實現低延遲和高解析度控制，並內建每秒能進行二至四百萬個採樣(MSPS)的10-bit類比至數位轉換器(ADC)，能為數位控制迴路提供完善支援。該元件並採用18至44接腳，備有6至16 KB快閃記憶體，接腳設計可與Microchip第一代數位電源DSC系列相容。
這些DSC元件的互動式週邊配備既可將處理器的干預減至最低，又能符合高速電流模式控制的即時需求。適用於AC/DC轉換器、DC/DC功率轉換器，以及嵌入式電源控制器、電源換流器、不斷電電源供應器(UPS)及數位照明等功率轉換應用。除此之外，具備一奈秒解析度的PWM，可輕易符合各類型交換式電源對精確控制時序的要求，甚至連同步整流器精準控制需求也能符合。Microchip的線上資源中心提供了更多有關數位電源轉換的資料，網址為： www.microchip.com/SMPS 。
德洲儀器數位電源實驗套件加速普及應用
推廣數位電源概念不遺餘力的德州儀器（TI），除了早有相關元件解決方案(如在2007年即推出的UCD9240是一款將微控制器(MCU)與數位化迴授電路均整合在一起的第三代數位電源產品，能夠以數位方化控制多達4組獨立的數位化回授迴路和8組相位，並提升電源轉換輕載時的效率達三成以上)外，自去年起亦著力於提供開發套件加速市場應用。2008年TI推出五套針對特定應用的開發套件，適用於TMS320F28x數位訊號控制器（DSC）。這個模組化套件可迅速建立各種設計的原型，包括DSC通訊基礎設備、可交換式處理器卡模組或控制卡的工業及商業應用、可存取裝置訊號的開發電路板實驗套件，以及針對特定應用的DC/DC與AC/DC數位電源開發套件。為進一步縮短開發時間，各套件均內含原始碼範例、硬體設計詳細資訊，以及TI的Code Composer Studio 32KB限定整合式開發套件環境（IDE）。
TMS320C2000控制卡，可協助OEM廠商以小型（90mmx25mm）抽取式100接腳DIMM卡的全套控制器子系統，迅速建立原型、生產系統。控制卡介面可提供主要的類比元件、數位I/O訊號與JTAG測試接腳，只需輸入5V電源，其他電源皆由電路板提供。
數位電源實驗套件適合初次使用軟體式數位電源管理的人員，包括使用兩個TI數位非隔離式PowerTrain模組與F2808控制卡的DC/DC主機板。DC/DC主機板也包含數位多用電錶及主動負載，便於設計工程人員執行瞬時回應分析與調整。DC/DC數位電源開發套件主要針對以F28044 DSC控制卡為基礎的多電極與多相位應用，以展現16電極數位電源控制器的裝置效能，適用於產業、通訊基礎設備與家用電子產品，可迅速建立各種設備的DC負載點電源控制原型。
英飛凌收購美國數位電源IC供應商Primarion
同樣擁有MCU與電源技術的英飛凌(Infineon)，去年五月宣佈收購美國數位電源IC供應商Primarion，進一步提升公司在電源管理應用領域的實力。英飛凌指出，數位電源在電源供應IC中屬於正在快速成長的市場，並逐漸取代現今使用的傳統類比解決方案。數位電源IC的優點包括可以藉由先進的診斷、遙測及非線性控制以調整關鍵系統參數，讓電源供應在任何情況下均可達到最佳的效率及效能，因此可免除龐大的輸出電容器，亦無須整合為了「調校」類比解決方案所需要的被動元件，藉此提升密度並降低系統成本。 (本刊另有專訪瑞薩科技副技術長李王權, 以淺顯易懂的方式介紹數位電源的發展現況與應用,將在五月製作成線上影片於CTOV頻道上播出, 敬請期待.)
何謂「數位電源」(DIGITAL POWER)？
數位電源就是採用數位介面具有可程式化(programmable)的電源轉換器，數位介面(digital interface)與可程式化是數位電源的重要特徵，也是其簡化產品應用的重要利基。控制器的實現可以類比電路方式或數位電路方式，數位電源係指採用數位控制方式實現交換式電源供應器的控制迴路與介面。與此相較，傳統的交換式電源供應器主要採用類比控制方式實現其控制迴路與介面。
數位電源技術的好處對數位電源的設計人員來說將不用再受類比設計技術的限制，也不必為適應元件變化而使用過大元件；亦不再需要擔憂元件漂移和溫度補償問題，生產線後端的人工調整方式將成為歷史。而由於設計人員透過軟體而不是硬體實現產品的多樣化，因此，極少的產品平台就可以滿足更廣泛的應用需求。除此之外，設計人員還可以透過新的數位拓樸結構以更加靈活的方式開發高功率密度和改善成本效益的電源產品。
這個概念已經推廣經年，產業分析師皆認為，數位電源市場可望在未來幾年迅速成長。市場研究機構Darnell Group預測數位迴路控制技術將於未來五年大放異彩，市場增長率將達到整體電源市場單位成長率的五倍。到了2013年，數位迴路控制元件的銷售數量，將高達14億之多。
對於具有類比與DSP產品技術的廠商更是努力的目標，像是美系ADI(亞德諾)、TI(德州儀器) 、Microchip和日系的瑞薩科技都有相當程度的投入。本文將從數位電源解決方案的資訊分享為主，輔以類比與數位電源架構概念比較說明。
ADI數位電源架構加速高效智慧電源設計
去年亞德諾(ADI)推出專門設計的數位電源控制器，電源設計工程師可將其用於高可靠伺服器、記憶體與通訊基礎設施設備中的AC/DC，以及隔離式DC/DC電源設計。該公司的ADP1043數位脈寬調變(PWM)電源控制與管理元件為設計工程師提供高度整合的電路架構和彈性，利用直觀的圖形用戶介面(GUI)可在幾分鐘內配置系統功率參數。即使是設計經驗較少的工程師也可以利用GUI監控並快速調整電源功能，如頻率、時序、電壓設置與保護限制。
在進行終端系統設計時，採用ADP1043可幫助系統整合人員優化電源能量效率，縮短設計週期時間，實現智慧的電源管理系統。該產品使用專用的單晶片數位控制引擎，可與GUI及工業標準I2C介面協調工作。這款新的電源控制與管理元件採用高整合度電路設計，與競爭的類比與數位電源控制器相比，減少元件數量。
ADP1043採用系統晶片技術，適合隔離式電源轉換、內部電源管理與監控，從而實現更高效率的電源設計。ADP1043控制器主要包括7個輸出PWM；用於編程和資料儲存的內建記憶體；傳統的類比或開放標準數位電流共用方案，用於並聯電源操作；金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)OR-ing控制，用於冗餘電源操作；差動電壓檢測與微調，這些特性都可經由I2C進行設置與調整。
Microchip推出全新七款數位訊號控制器
Microchip日前推出七款新一代16-bit dsPIC數位訊號控制器(DSC)，因應一般多迴路交換式電源供應器(Switch-Mode Power Supplies, SMPS)及其他功率轉換應用的需要。這些元件採用了專為數位電源轉換而設的DSC封裝，且為業界最小的6×6 毫米封裝尺寸；產品價格遠低於Microchip第一代SMPS系列，卻可發揮兩倍效能。這些DSC標榜「智慧型電源週邊(Intelligent Power Peripheral)」，包括專為數位電源應用設計的內部互連類比比較器(interconnected analog comparators)、脈衝寬度調變模組以及類比至數位轉換器等，並能透過軟體、搭配多種拓墣進行配置。高度的彈性，讓電源設計人員可以根據特定產品應用的特性，選擇最佳配置。此外，新款dsPIC33系列配備線上燒錄功能(in-circuit programming)，讓一般SMPS平台可於生產流程的後續階段才進行區分，節省時間及成本。
Microchip高效能微控制器部門副總裁Sumit Mitra表示：「Microchip的數位電源DSC系列，無論在價格、性能、靈活性及效率方面均突破傳統，勢將引發一場新興的數位電源革命。」
這七款新型dsPIC33F「GS」系列數位電源DSC，均配備4至8組解析度為一奈秒(ns)的高速脈衝寬度調變器(PWM)，多達4組20奈秒的比較器，每個比較器上均配備整合數位至類比轉換器以及1至2組可實現低延遲和高解析度控制，並內建每秒能進行二至四百萬個採樣(MSPS)的10-bit類比至數位轉換器(ADC)，能為數位控制迴路提供完善支援。該元件並採用18至44接腳，備有6至16 KB快閃記憶體，接腳設計可與Microchip第一代數位電源DSC系列相容。
這些DSC元件的互動式週邊配備既可將處理器的干預減至最低，又能符合高速電流模式控制的即時需求。適用於AC/DC轉換器、DC/DC功率轉換器，以及嵌入式電源控制器、電源換流器、不斷電電源供應器(UPS)及數位照明等功率轉換應用。除此之外，具備一奈秒解析度的PWM，可輕易符合各類型交換式電源對精確控制時序的要求，甚至連同步整流器精準控制需求也能符合。Microchip的線上資源中心提供了更多有關數位電源轉換的資料，網址為： www.microchip.com/SMPS 。
德洲儀器數位電源實驗套件加速普及應用
推廣數位電源概念不遺餘力的德州儀器（TI），除了早有相關元件解決方案(如在2007年即推出的UCD9240是一款將微控制器(MCU)與數位化迴授電路均整合在一起的第三代數位電源產品，能夠以數位方化控制多達4組獨立的數位化回授迴路和8組相位，並提升電源轉換輕載時的效率達三成以上)外，自去年起亦著力於提供開發套件加速市場應用。2008年TI推出五套針對特定應用的開發套件，適用於TMS320F28x數位訊號控制器（DSC）。這個模組化套件可迅速建立各種設計的原型，包括DSC通訊基礎設備、可交換式處理器卡模組或控制卡的工業及商業應用、可存取裝置訊號的開發電路板實驗套件，以及針對特定應用的DC/DC與AC/DC數位電源開發套件。為進一步縮短開發時間，各套件均內含原始碼範例、硬體設計詳細資訊，以及TI的Code Composer Studio 32KB限定整合式開發套件環境（IDE）。
TMS320C2000控制卡，可協助OEM廠商以小型（90mmx25mm）抽取式100接腳DIMM卡的全套控制器子系統，迅速建立原型、生產系統。控制卡介面可提供主要的類比元件、數位I/O訊號與JTAG測試接腳，只需輸入5V電源，其他電源皆由電路板提供。
數位電源實驗套件適合初次使用軟體式數位電源管理的人員，包括使用兩個TI數位非隔離式PowerTrain模組與F2808控制卡的DC/DC主機板。DC/DC主機板也包含數位多用電錶及主動負載，便於設計工程人員執行瞬時回應分析與調整。DC/DC數位電源開發套件主要針對以F28044 DSC控制卡為基礎的多電極與多相位應用，以展現16電極數位電源控制器的裝置效能，適用於產業、通訊基礎設備與家用電子產品，可迅速建立各種設備的DC負載點電源控制原型。
英飛凌收購美國數位電源IC供應商Primarion
同樣擁有MCU與電源技術的英飛凌(Infineon)，去年五月宣佈收購美國數位電源IC供應商Primarion，進一步提升公司在電源管理應用領域的實力。英飛凌指出，數位電源在電源供應IC中屬於正在快速成長的市場，並逐漸取代現今使用的傳統類比解決方案。數位電源IC的優點包括可以藉由先進的診斷、遙測及非線性控制以調整關鍵系統參數，讓電源供應在任何情況下均可達到最佳的效率及效能，因此可免除龐大的輸出電容器，亦無須整合為了「調校」類比解決方案所需要的被動元件，藉此提升密度並降低系統成本。 (本刊另有專訪瑞薩科技副技術長李王權, 以淺顯易懂的方式介紹數位電源的發展現況與應用,將在五月製作成線上影片於CTOV頻道上播出, 敬請期待.)
