數(shù)字電源規(guī)模應用仍面臨挑戰(zhàn)

 數(shù)字電源不再“紙上談兵”，規(guī)模應用仍面臨挑戰(zhàn)

   當前，很多嵌入式控制設計人員正在將8位或16位MCU設計進行升級。為了幫助他們實現(xiàn)向32位數(shù)字信號控制器(DSC)的過渡，TI最新推出四款新型TMS320F280x數(shù)字信號控制器(已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn))，并首次將高性能F28xx系列芯片價格拉到3美元左右。與此同時，Microchip也發(fā)布了最新的DSC產(chǎn)品。但是與TI從高端應用切入不同，Microchip的產(chǎn)品主要針對低端或簡單級別數(shù)字電源，價格2.99美元起，對某些具體應用而言也頗具成本優(yōu)勢。 
    兩大半導體巨頭相繼推出的低成本DSC使數(shù)字電源的應用不再是“紙上談兵”，但是從目前的情況來看，由于絕大多數(shù)開關電源都是采用傳統(tǒng)的模擬電路，數(shù)字控制電源作為一種新興技術還處于摸索階段，從設計人員切換到產(chǎn)品定義，再到廣泛應用，數(shù)字電源的規(guī)模應用仍需要一個過程。 
    兩大低成本DSC方案比較 
    TI最新的TMS320F280x產(chǎn)品不僅具備32位DSP性能，而且實現(xiàn)了與MCU相似的外設集成，方便易用，主要面向數(shù)字電源、馬達控制以及智能傳感器控制等應用。 



    四款新品都采用F280x的設計，均可實現(xiàn)32位寬度的數(shù)據(jù)處理，每秒375萬次采樣的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、正交編碼器(QEP)接口，最新專利的150微微秒(ps)分辨率的的脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道，并具有CAN、I(SUP/)2(/SUP)C、UART、SPI等端口。通過對閃存和外設進行一定裁剪后，TMS320F28015/F28016的最低每千片批量單價僅為3.25 美元。TI上海應用開發(fā)中心工業(yè)和家電部經(jīng)理于振宇介紹：“TI把集成大容量閃存、大量通信接口的高性能信號處理控制器拉到3美元價位，創(chuàng)造了F28xx系列產(chǎn)品的新紀錄。價格達到了16位單片機水平，但性能不可同日而語?！?nbsp;
    作為電源轉(zhuǎn)換行業(yè)領先的單片機和模擬控制產(chǎn)品供應商，Microchip日前也推出適用于通用、多回路開關電源(SMPS)和其它電源轉(zhuǎn)換應用的16位DSC系列dsPIC。dsPIC30F1010和dsPIC30F2020/2023(dsPIC30F202X)DSC具備分辨率為1ns的PWM，以及可實現(xiàn)低延遲時間和高分辨率控制、每秒200萬次采樣的10位ADC。dsPIC有電壓模式、電流模式兩種控制方式，器件尺寸小，針對不同的應用有很好的性價比優(yōu)勢。 
   “當前，由于缺乏有效的解決方案，對整個電源轉(zhuǎn)換回路進行數(shù)字控制的應用發(fā)展緩慢。dsPIC DSC SMPS解決方案在某些應用實例中的成本和性能優(yōu)勢非常明顯，如帶多路輸出、協(xié)調(diào)負載共享，熱插拔能力、輸出協(xié)調(diào)、集成功率因數(shù)校正或豐富故障處理的電源?！盡icrochip公司數(shù)字信號控制器部門戰(zhàn)略市場總監(jiān)Steve Marsh進一步強調(diào)：“Microchip是第一家能夠真正做到數(shù)字電源控制的廠商，dsPIC系列DSC能幫助設計人員實現(xiàn)對產(chǎn)品的全面數(shù)字控制?！?nbsp;
    DSP與MCU融合成為趨勢，TI與Microchip欲爭寵 
    一邊是DSP行業(yè)老大，一邊是單片機(MCU)領域的佼佼者，兩家半導體巨頭都對數(shù)字電源應用前景非常樂觀，分別從傳統(tǒng)DSP和傳統(tǒng)MCU角度切入，以融合DSP與MCU的解決方案進軍數(shù)字電源領域。傳統(tǒng)MCU做控制應用比較友好，但數(shù)字處理能力弱；傳統(tǒng)DSP具有強大的計算處理能力，但由于缺乏做控制應用必需的片上閃存、數(shù)據(jù)接口、ADC等外設，其控制應用不是很友好。因而，DSP與MCU融合成為行業(yè)發(fā)展趨勢。 
    結(jié)合了兩者的優(yōu)點，DSP高性能與MCU易用性的完美融合是TI新型F280x產(chǎn)品的關鍵賣點。該系列產(chǎn)品有個特點，一方面是具有DSP的CPU，所以有強大的計算能力和數(shù)學計算速度，同時具有作控制應用所必須的外設和片上應用模擬模塊。TI的于振宇相信DSP是必然趨勢，他指出：“傳統(tǒng)MCU工程師正在逐漸向DSP轉(zhuǎn)移，DSP設計方便，而且模型建立后，其編程也很方便，加之其系統(tǒng)性、可移植性、可維護性的優(yōu)勢，未來向DSP轉(zhuǎn)移是必然趨勢。” 
     但背靠MCU發(fā)家的Microchip認為MCU更受工程師青睞，Marsh稱：“兼具DSP功能的MCU更貼近客戶使用習慣。從客戶需要來說，他們想要DSP提供給他們的功能，但并不想要DSP，或者只想要非常簡單易用的DSP技術?！彼又a充道：“原來的產(chǎn)品是兩個指令流，一個用于DSP，一個用于單片機，Microchip新推出的DSC是單指令流，在整個架構(gòu)中，它使用C語言編譯器，編碼非常高效?！?nbsp;
     模擬向數(shù)字切換，設計人員重新面臨挑戰(zhàn) 
     隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實現(xiàn)該性能所必需的元件數(shù)量和成本也會隨之增加，越來越多的控制需要通過具有成本效益的數(shù)字電路實現(xiàn)，未來在電源系統(tǒng)控制應用中將是模擬與數(shù)字共存。 
     Marsh表示：“在DC/DC應用中，通常是在100瓦特以上的系統(tǒng)中會應用數(shù)字控制技術；而在AC/DC應用中，250瓦特以上的系統(tǒng)會應用數(shù)字技術，這樣的應用經(jīng)濟性會更高一些。對于更為復雜的應用，如果客戶想繼續(xù)在系統(tǒng)上增加性能，就會更多地采用全面的數(shù)字技術，因為模擬的系統(tǒng)已經(jīng)不能實現(xiàn)那么高的經(jīng)濟性了。” 
     目前，由于絕大多數(shù)開關電源設計人員一直采用傳統(tǒng)模擬電路，數(shù)字控制電源作為一種新興技術還處于摸索過程中，需要建立起一套新的理論和方式方法。于振宇指出：“在電源系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的趨勢下，對電源的狀態(tài)控制和了解要求也越來越高，模擬控制轉(zhuǎn)到數(shù)字控制面臨很多挑戰(zhàn)。首先是響應速度或帶寬，模擬控制對信號狀態(tài)的反應是瞬時的，而數(shù)字控制電路是一個采樣系統(tǒng)，涉及到延時問題，這就需要CPU、ADC等有很高的計算速度。第二，可靠性成為新的問題，設計人員已經(jīng)習慣模擬設計可靠性，變成數(shù)字設計時如何提高并保證可靠性，他們不知道怎么面對?！睘榇?，TI專門組建了由負責C2000產(chǎn)品和模擬電路設計的資深工程師組成的數(shù)字電源產(chǎn)品團隊，并為設計人員提供多種參考設計平臺，而不必從頭做起。 
    作為一項新技術，數(shù)字電源應用的規(guī)模啟動到底需要什么樣的芯片？盡管每家公司都宣稱有“好”的產(chǎn)品，但從現(xiàn)實情況來看，規(guī)模應用還需要一個過程。據(jù)了解，目前幾家中國通信電源廠商已開始采用TI產(chǎn)品投入量產(chǎn)，另有一些還處于產(chǎn)品研發(fā)階段。但是盡管當前主要仍是一些大公司利用數(shù)字電路技術設計電源，但Marsh相信，隨著更多的大公司逐漸把這項數(shù)字技術應用于電源設計中，小型公司看到其帶來的好處后也會逐步開始采用。