搶攻復(fù)合型電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用商機　芯片商同步擴展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。比如，在各種負載與外在環(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)，通常對于零件的要求較少，因此就會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)計周期時間和改善經(jīng)濟規(guī)模，很多設(shè)計師會善用數(shù)字電源設(shè)計技術(shù)，透過少量設(shè)計平臺去設(shè)計多元產(chǎn)品。數(shù)字控制電源技術(shù)不僅讓單一平臺能重新設(shè)計于不同的應(yīng)用，也能讓產(chǎn)品快速進入市場，實現(xiàn)高銷售量及低單價的產(chǎn)品。

　　不過，全數(shù)字的控制方式也會遇到不少問題，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的需求。

　　為了同時鞏固兩種應(yīng)用市場，微芯除了推出全數(shù)字的數(shù)字訊號控制器（DSC）電源方案外，亦同時開發(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)換器提供簡易又高效的類比脈沖寬度調(diào)變（PWM）控制，工作電壓可達40伏特（V），并搭配一個可配置的數(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，如此可實現(xiàn)快速的電源轉(zhuǎn)換電路開發(fā)。

　　圖3　MCP19118配置示意圖

　　針對更高階的應(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)計師選擇，有時候類比控制器是用來作為補償器的功能，而MCU大部分用來做為管理以及通訊功能。雖然它成本較低，但是這個方案在整個負載范圍中，較無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)字電源市場規(guī)模擴大，但是MCU方案只適用于發(fā)展相當成熟穩(wěn)定的應(yīng)用市場，而對新的數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域影響甚微；因為新的數(shù)字電源市場需要客制化的解決方案，而數(shù)字訊號處理器（DSP）或是現(xiàn)場可編程閘陣列（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。這些裝置可以使用在非線性、預(yù)測和適應(yīng)控制運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，進而創(chuàng)造凌駕競爭對手的產(chǎn)品價值。

　　另一方面，為了降低數(shù)字電源的進入門檻，芯片商亦正積極發(fā)展開放式平臺，讓不懂數(shù)字設(shè)計的類比電源工程師，也能透過簡易的使用者界面快速上手，進而設(shè)計出差異化的數(shù)字電源系統(tǒng)方案。

　　降低數(shù)字電源進入門檻　ST力拓開放式平臺

　　Sandrini表示，在數(shù)字電源市場上，成本并不是唯一擴展市場的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電源設(shè)計人員擁有很強的類比電源背景，基本上不會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有電力電子設(shè)計經(jīng)驗。不過，目前開發(fā)數(shù)字電源系統(tǒng)的辦法，是讓有經(jīng)驗的電源工程師和軟體工程師合作，然而這導(dǎo)致開發(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。

　　Sandrini進一步剖析，如果想要真正地推廣數(shù)字電源技術(shù)，對于那些原本熟悉電磁設(shè)計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，使其毋須自行動手寫軟體代碼，即可獲得數(shù)字電源的技術(shù)優(yōu)勢。如此一來，方能進一步降低進入數(shù)字電源市場的技術(shù)門檻。

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

　　據(jù)了解，STNRG平臺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)動電路，還提供金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）和整流管，期能成為一站式供應(yīng)商。Sandrini堅信，透過各種簡化開發(fā)流程的應(yīng)用平臺，將會為意法半導(dǎo)體帶來競爭優(yōu)勢，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逐的目標；而為了達到此目的，新元件、新技術(shù)的應(yīng)用開發(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。現(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題。

　　圖4　德州儀器半導(dǎo)體行銷現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)理曾生元預(yù)測，GaN MOSFET的應(yīng)用將是未來數(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)界對于未來數(shù)字電源系統(tǒng)的期待，則是希望PWM的切換頻率能達到500kHz，甚至是更高的水準。 不過，要提高PWM切換頻率，首先須解決電磁干擾（EMI）問題，同時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的選用即是個中關(guān)鍵。也因此，業(yè)界正積極投入研究GaN MOSFET的應(yīng)用開發(fā)，期能藉此拉高PWM的切換頻率，以進一步提高數(shù)字電源系統(tǒng)功率密度。 事實上，矽制程的MOSFET發(fā)展已有30年之久，開始邁入性能成長的停滯期。為滿足市場對于更高功率MOSFET的期待，產(chǎn)官學(xué)界已開始投入GaN功率元件開發(fā)。如今，GaN MOSFET在功耗、驅(qū)動電流、導(dǎo)通電阻、起始電壓、電源轉(zhuǎn)換效率等方面，都已被證實能超越傳統(tǒng)的MOSFET技術(shù)。

　　不過，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，也還會遇到成本過高的桎梏，恐將不利于本就因成本問題而無法快速拓展應(yīng)用市場的數(shù)字電源發(fā)展。

　　盡管如此，曾生元仍然認為，在數(shù)字電源系統(tǒng)中采用GaN MOSFET將是未來清晰可見的研究方向，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發(fā)展的可行性。

　　由以上探討不難看出，電源芯片商對數(shù)字電源方案的發(fā)展前景皆相當樂觀，并已積極厚實軟體和硬體產(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)計風(fēng)潮，搭上綠色電子商機。

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　　編輯點評：近幾年，使用微處理器控制開關(guān)式電源不斷發(fā)展。在數(shù)字電源相比模擬電源的優(yōu)點方面仍存在許多爭議，兩大陣營你來我往、爭論激烈。目前在整個市場中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例還很小，不過，隨著越來越多的系統(tǒng)開發(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)計的新趨勢。但隨著新興的復(fù)合型或混合信號型電源轉(zhuǎn)換控制器進入市場，正逐漸將電源模式轉(zhuǎn)換為“數(shù)字和模擬擇優(yōu)并存”的實用主義模式。未來是在數(shù)字電源一支獨大，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欄目——瘋PK，詳情：

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

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