我國數(shù)字電源行業(yè)發(fā)展淺析
目前,電源技術(shù)可能已經(jīng)達(dá)到一個巔峰,前幾年拼轉(zhuǎn)換效率的做法已經(jīng)告一段落,有技術(shù)儲備的廠商開始改走人性化的道路,除了轉(zhuǎn)換效率之外,還通過對電源其他方面的特性進(jìn)行提升,由此,融合了狀態(tài)監(jiān)測以及控制的數(shù)字電源逐漸受到市場青睞。
數(shù)字電源市場目前是電源管理產(chǎn)業(yè)中增長最快的領(lǐng)域之一。早期采用數(shù)字電源的領(lǐng)域包括信息技術(shù)與通訊基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用,比如服務(wù)器和電信/數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。現(xiàn)在,數(shù)字電源技術(shù)也開始向照明與消費(fèi)導(dǎo)向的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展,包括PC、家電和手機(jī)。
市場的必然選擇
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷升級,電路板上的元器件運(yùn)行速度更快、體積更小,而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流;最終系統(tǒng)的功能不斷增加,平均售價卻不斷下降。此外,用戶對電源的故障修復(fù)時間、電源運(yùn)行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高,電源設(shè)計(jì)人員不再滿足于實(shí)時監(jiān)控電流、電壓、溫度, 還提出了診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個輸出電壓參數(shù)的要求。而這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的。
當(dāng)模擬電源控制的局限性對上了電源管理發(fā)展新思路的數(shù)字電源的優(yōu)勢時,這個轉(zhuǎn)換過渡就成了市場發(fā)展的必然結(jié)果。數(shù)字電源的目標(biāo)就是將電源轉(zhuǎn)換與電源管理架構(gòu)用數(shù)字方法集成到單芯片中,實(shí)現(xiàn)智能、高效的轉(zhuǎn)換與控制及通信。
相對模擬系統(tǒng)而言,數(shù)字系統(tǒng)在開關(guān)電源中具有設(shè)計(jì)周期短、靈活多變、易實(shí)現(xiàn)模塊化管理、能夠消除由離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此,數(shù)字電源在高精度電源中的應(yīng)用越來越廣泛,成為現(xiàn)代電源技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。
數(shù)字電源相對模擬電源的重要優(yōu)勢在于數(shù)字器件本身的靈活性。數(shù)字器件控制的電源內(nèi)部參數(shù)可以在線調(diào)整,這就意味著電源的動態(tài)特性是可變的,能順應(yīng)負(fù)載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化同時還能保證一定的性能。數(shù)字電源的通訊優(yōu)勢使電源設(shè)備具有多樣化的遠(yuǎn)程控制方式,這會給設(shè)備的運(yùn)行、監(jiān)察帶來很多好處。
而數(shù)字電源對模擬電源最致命的威脅卻是數(shù)字技術(shù)的超快速發(fā)展,它幾乎快的有點(diǎn)讓人喘不過氣來。在幾年前單片機(jī)是單片機(jī),DSP是DSP,界線好像挺清楚,現(xiàn)在32位的ARM也好,DSP也好,都是改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu),構(gòu)架的差別越來越模糊,性能越來越強(qiáng),價格卻越來越低。幾年后,當(dāng)?shù)陀?美元卻集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM輸出的高性能數(shù)字器件放在你面前時,你還會正眼瞧瞧模擬電源嗎?
應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張
目前數(shù)字電源已打進(jìn)PC和通訊領(lǐng)域等主流市場,并逐漸滲透至其他電子領(lǐng)域。由于數(shù)位電源可減少周邊元件數(shù)量,并擁有更優(yōu)異的即時控制與軟體配置功能,未來將將逐漸接替模擬電源的地位,快速擴(kuò)大市場滲透率。
尤其在云端運(yùn)算服務(wù)蓬勃發(fā)展之際,伺服器激增導(dǎo)致大量耗電,讓資料中心業(yè)者對設(shè)備節(jié)能要求更加嚴(yán)格,而用戶端設(shè)備也訴求長時間待機(jī)能力,促使電源設(shè)計(jì)架構(gòu)翻新。此新的節(jié)能要求無疑也為壯大數(shù)字電源市場再添動力。
而數(shù)字電源與類比電源相比,不僅性能更高、功能也更加完整,導(dǎo)致很多使用者在低端業(yè)務(wù)領(lǐng)域開始采用成本最低的模擬數(shù)位電源,而在高端業(yè)務(wù)領(lǐng)域則采用純數(shù)位電源。未來,隨著數(shù)位電源的需求量成長與開發(fā)成本的改善,也將逐漸向低端業(yè)務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)張,反觀模擬電源,則會因功能局限性而無法升入高端業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
為實(shí)現(xiàn)更多電源監(jiān)控與用電效率管理的價值,目前高階伺服器和主機(jī)板幾乎已全面導(dǎo)入數(shù)位電源,加速取代傳統(tǒng)類比設(shè)計(jì)。未來,數(shù)位電源的市場發(fā)展更將如星火燎原,切入各個應(yīng)用市場。
目前,服務(wù)器是數(shù)字電源的最大單一市場,預(yù)計(jì)2013年占到整體營業(yè)收入的33%。2012-2017年該領(lǐng)域的復(fù)合年度增長率將達(dá)44.8%。而增長最快的數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹钦彰?,預(yù)計(jì)2012-2017年該領(lǐng)域的復(fù)合年度增長率將達(dá)146%。增長動力將來自LED照明解決方案的使用不斷增長,這些解決方案適合采用數(shù)字電源控制與監(jiān)控。
同時,在上述預(yù)測期內(nèi),筆記本與平板PC中的數(shù)字電源的復(fù)合年度增長將分別達(dá)99%和82%。主要家用電器將增長76%,手機(jī)將增長52%。
當(dāng)數(shù)字電源需求量明顯成長后,電源供應(yīng)商也將傾向提供一系列的整合設(shè)計(jì)方案,而非單一元件,因此投資數(shù)字電源的使用者須針對低、中和高端系統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì);其次,他們也需要全套數(shù)位電源開發(fā)工具,包括硬體和圖形使用者介面(GUI)。最后,還須從一個供應(yīng)商獲得相關(guān)周邊元件,如MOSFET,才能創(chuàng)建完整解決方案。
數(shù)字電源的發(fā)展將刺激相關(guān)半導(dǎo)體市場快速增長。由于芯片在終端設(shè)備中既用于電路板層面,也用于數(shù)字電源之中,所以預(yù)計(jì)電源IC市場增長速度將快于數(shù)字電源市場。
成本與技術(shù)局限
即便現(xiàn)在數(shù)字電源炙手可熱,但工程師們對數(shù)字電源的接受速度似乎并不理想。最大的原因在于,相對于模擬電源而言,數(shù)字電源的成本偏高并涉及專利侵權(quán)。
據(jù)全球具有領(lǐng)先地位的關(guān)鍵信息、產(chǎn)品、解決方案和服務(wù)供應(yīng)商HIS對制造商與設(shè)計(jì)者的訪問,總共有27%表示成本仍然是該市場面臨的最大障礙。這突出表明部分潛在使用者對于數(shù)字解決方案可以帶來的總體成本節(jié)省還缺乏了解。而成本控制一直是拿下中國市場的絕對法則,數(shù)字電源雖早在十幾年前就出現(xiàn)了,但是因?yàn)楦吒咴谏系膬r格讓它一直局限在一些特殊的高端應(yīng)用里。
讓人欣慰的是這些年來電子技術(shù)的快速進(jìn)步,讓數(shù)字控制芯片性能不斷飛躍、價格逐漸下跌,數(shù)字電源才開始慢慢滲透占領(lǐng)傳統(tǒng)模擬電源的應(yīng)用領(lǐng)域。目前兩大半導(dǎo)體巨頭TI與Microchip已相繼推出低成本DSC,使數(shù)字電源的應(yīng)用不再是“紙上談兵”。不過從目前的情況來看,由于絕大多數(shù)開關(guān)電源都是采用傳統(tǒng)的模擬電路,數(shù)字控制電源作為一種新興技術(shù)仍處于摸索階段,從設(shè)計(jì)人員切換到產(chǎn)品定義,再到廣泛應(yīng)用,數(shù)字電源的規(guī)模應(yīng)用仍需要一個過程。
同時,人們對于數(shù)字電源產(chǎn)品還有一個擔(dān)心,就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應(yīng)用的考驗(yàn),因而可靠性不高。但就像數(shù)字電路在概念上就優(yōu)于模擬電路一樣,可靠性是設(shè)計(jì)的問題,而不是數(shù)字化的問題。而從用戶的角度來說,也只有當(dāng)數(shù)字電源的成本等于或低于模擬電源,同時又能提供模擬電源做不到的許多先進(jìn)功能的時候,數(shù)字電源才會普及。
數(shù)字電源中包含的技術(shù)無疑是復(fù)雜的,但它的使用并不一定就復(fù)雜。不過它要求設(shè)計(jì)人員具有一定的程序設(shè)計(jì)能力,而目前的電源設(shè)計(jì)人員普遍都是模擬設(shè)計(jì)為主,缺乏編程方面的訓(xùn)練,這對數(shù)字電源的推廣也是一個巨大的障礙。
數(shù)字電源另外一個劣勢在于,模擬控制對信號狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時的,而數(shù)字電源則需要一個采樣、量化和處理的過程來對負(fù)載的變化做出反饋,因此它對負(fù)載變化的響應(yīng)速度目前還比不上模擬電源。數(shù)字電源的占板面積要大于模擬電源,精度和效率也比模擬電源稍差。
所以目前的狀況仍是在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場合,模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢,因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn),而在可控因素較多、實(shí)時反應(yīng)速度更快、 需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中,數(shù)字電源則具有優(yōu)勢,多被用上。
一般認(rèn)為,在設(shè)計(jì)DC/DC變換器時,通常100W以上的系統(tǒng)中會應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù);而在設(shè)計(jì)AC/DC變換器時,250W以上的系統(tǒng)會應(yīng)用數(shù)字技術(shù),這樣電源的經(jīng)濟(jì)性會更高一些。因此,在未來的電源系統(tǒng)中,模擬與數(shù)字技術(shù)將共存相當(dāng)一段時間。30年前,電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個很大的變化,而電源數(shù)字化趨勢將會是一個更大的變化。
綜上所述,在簡單易用、參數(shù)變更不多的應(yīng)用場合,模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢,因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)。而在可控因素較多、需要更快實(shí)時反應(yīng)速度、需要管理多個電源、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中,數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。
數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域注入了新的活力,同時也對電源設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。如何在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新,進(jìn)而設(shè)計(jì)出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)將成為電源設(shè)計(jì)人員必須面對的新課題。
但我們?nèi)匀幌嘈?,隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展和市場需求的驅(qū)動,電源領(lǐng)域里數(shù)字電源的優(yōu)勢將會越來越明顯,缺陷也將逐步得到克服改善。當(dāng)然我們也明白,從模擬電源到數(shù)字電源的完全轉(zhuǎn)換還有待時間漸進(jìn),因此模擬和數(shù)字控制技術(shù)將在未來數(shù)年內(nèi)共存。
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