白话数字电源(图)

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        数字电源的概念已经被提出多年，很多公司也已经推出了各种数字电源产品，可以说数字电源算不上是什么新生事物。然而，由于关于数字电源的宏观、中立性的中文文献并不多，所以数字电源的轮廓依然并不十分清晰。多数文献来源于数字电源生产厂商，他们当然倾向于夸大数字电源的优势，而且从来不忘记宣传他们自己的产品，读者可得到的有价值信息十分有限。媒体也往往跟着“忽悠”，多有赞誉、吹捧之辞，并喜欢引用厂商的官方套话，常常让人一头雾水、不知所云。本人不是数字电源的“专家”，通过与厂商的接触和阅读一些中、英文文献，大胆整理出这篇文章，希望能有助于将复杂的问题简单化，勾勒出一幅较为清晰的数字电源画面。
        为何需要数字电源
        我们知道，电子产品所需的电能本质上是模拟的。从输出的形式来看，所有的电源也都是模拟的。所谓数字电源不过是指电源内部所使用的技术，即 PWM回路采用数字技术进行控制。那么为什么非要采用数字技术呢？据说数字电源具有如下优势：所需外部元件少、可配置、成本低、效率高。从前两项优势来看，数字电源显然适合比较复杂的高端供电系统，因此，我们认为数字电源基本没有可能完全取代传统的模拟电源。对于大多数应用来说，简单的模拟电源就足够了。
        数字控制电路的性能和成本优势体现在摩尔定律上，即数字电路的尺寸每18～24个月缩小一半。考虑新一代的集成电路制造成本比上一代高 10％～20％，数字电路的总成本每2～3年便会减少一半。相比之下，模拟电路的尺寸每4～8年才缩小30％。所以，理论上讲，同样性能的数字电源的成本下降速度要比模拟电源快得多。如下图所示，至2008年底，数字控制器的成本将低于模拟控制器。

图1 数字控制器的成本下降速度低于模拟控制器

据美国Darnell集团的预测，数字电源IC的市场将以每年36％的复合增长率增长。至2011年，全球数字电源IC（包括整压回路控制器VR、非整压回路控制器、功率因数校正、转换管理IC和系统管理IC）的市场规模将达到8亿美元。

数字电源的典型应用
        前文提到，数字电源最适合较为复杂的高端电源和电源系统。数据中心供电是数字电源当前的热点应用领域。
        数据中心的服务器密度依然在不断上升。目前，一个42U机架的总功率为25kW左右，而且正朝着40kW的方向迈进。据说，70％的数据中心面临空间、供电和冷却的挑战。数据中心的供电成本高昂，可以占到一些IT公司总预算的20％～25％，每个刀片服务器每年的运行成本甚至超出服务器本身的成本。虽然数字电源技术不能解决服务器的耗电增长问题，但数字电源有望通过提供电高效率来缓解数据中心的供电和冷却困境。
        福布斯网站上刊登了一篇不太中立的文章，讲述Power One公司和它的总裁Steve Goldman的数字电源成功之路。Power One曾经把一家大型服务器公司的供电效率从89％提高到93％，这样每三年每台服务器将节省电费1400美元，算下来等于三年白赚一台电源。有必要指出的是，美国各州的电费水平相差悬殊，因为各州的能源政策各不相同。估计这家客户位于电费昂贵的地区，比如加利福尼亚州。这个幅度的效率提升能为中国的数据中心客户带来多少效益，感兴趣的读者可以自己算一下。

数字电源的普及障碍
        既然能给客户带来那么大的好处，那么数字电源应该像野火一样迅速普及到世界各个角落的每个机房。但实际情况并非如此；采用数字电源的数据中心依然有限。Goldman指出了妨碍数字电源推广的三大原因（或借口）。
        首先，大型系统的更新换代周期较长。例如，一个大型交换机需要三、五年的时间来开发，服役期大概又是五年。如果客户要采用一种新技术，他就要彻底重新设计线路板。如果最后发现这种技术存在问题，客户损失的将是整整一个产品周期的销售额。虽然高端系统最需要数字电源，但由于客户担心潜在的巨大风险，所以往往不敢尝试这种新技术。
        其次，电源管理技术负责人通常都是模拟技术出身。电源转换从来都是模拟的，所以这个行业的大腕只熟悉模拟电源，他们在数字电源面前完全是生手。由于人们对于自己不熟悉的东西往往采取拒绝的态度，所以数字电源容易遭到冷落。
        值得注意的是，在这一点上，中国的情况与西方相比有所不同。西方电子工程师的典型年龄在四、五十岁，他们的优点是经验丰富，缺点是知识陈旧、接受新事物的能力差。而中国工程师的典型年龄是25～30岁，经验虽然不那么丰富，但对待新知识如饥似渴，更乐于接受新事物。所以，新技术在中国的传播阻力要小得多。基于此，那些技术创新型的公司应该在中国市场多花些力气。
       数字电源普及的最后障碍是客户担心找不到替代产品。因为目前数字电源仍处于发展初期，所以每个供应商的方案都很独特，他们会为客户定制线路板层面的供电结构，而这正是客户所害怕的。

突破编程障碍
灵活性、可配置性是数字电源的特点，但这同时也意味着产品开发的复杂性，即开发过程中需要编程工作。前文提到，电源工程师大多是模拟技术出身，编程正是他们的弱项。数字电源如果能做到不需要编程，就会大大降低其技术门槛，普及速度就会大大加快。

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图2 这个同步升压转换器中的典型DSC架构含有快速算术运算和控制电路

一些厂商注意到了这一市场需求，正在致力于开发或帮助工程师开发无需编程的数字电源。
         Zilker Labs推出的ZL2005产品是无需编程的数字电源。其运行功能和设置均可通过简单的引脚选择、电阻选择或通过板上串口加以配置，无需复杂的编程。此外，ZL2005 可使用业界标准PMBus命令集与其他PMBus设备或主机系统控制器进行通信。
         Microchip公司的数字信号控制器（DSC）可提供数字电源控制环路所需功能，但不需要DSP编程，所以利用DSC向数字电源过渡比DSP更容易。
         美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW设计软件是一个图形化的软件，用户无需懂得VHDL编程语音也可以用LabVIEW来实现复杂的算法。NI以3UPXI总线电源为例，说明了如何可以利用LabVIEW来设计小尺寸、高效率、高智能的数字电源。