数字电源――一个模拟公司的观点

    现在到处都在谈论数字电源。新成立的公司和已经取得牢固地位的半导体厂商都声称数字电源（或者更准确地说，是数字控制开关电源管理集成电路）比模拟为主的产品更胜一筹。他们说，新的数字电源具有更高的性能和更低的成本，将取代老式的、早已过时的模拟开关稳压器。人们将采用通用的数字CMOS工艺技术，而不再需要专有的模拟工艺技术，同时还将极大地降低成本。电源管理方式即将发生变化：要么数字化；要么请走开，别再挡路。

    我们先花点时间来琢磨一下这个词。“数字电源”或“数字控制电源”有几种不同的含意。最简单的定义是通过数字接口控制开关稳压器。例如，这可能包括通过I2C或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序。启动、裕度控制、加电和断电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。这用今天的技术是非常容易实现的，而且实际上，目前市场上的很多电源管理集成电路都以这种方式工作：通过数字接口控制模拟开关稳压器。

    第二个更复杂的含意是给第一个定义加上所谓的“数字遥测”。在这种情况下，提供额外的控制功能以监视开关电源的状态，如温度、输出电流、输入电流、输入电压、输出电压等，并根据需求或周期性地向主机报告。ID标记、故障状态信息甚至时间标记事件等其它信息也可以存储在片上非易失性存储器中，并在将来某个时间报告这些信息。具有大量数字集成电路的高端系统是这类数字电源的目标市场，而较低成本的消费类产品可能不需要这样的信息。

    第三个、也是最野心勃勃的数字电源含意是，用数字电路彻底取代开关稳压器中的所有模拟电路。据说这样将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调节和销售。更进一步的理由是，通过编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、SEPIC、反激式或正激式转换器。正是数字电源的这个含意最让我难以理解，因为从根本上来说，电源是模拟的。甚至用ADC和DSP取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关稳压器也仍然需要电压基准、电流检测电路和开关或FET驱动器。这些组件只能是模拟的，而且任何形式的开关稳压器都不能去掉这些组件。ADC也是这样，模拟性大于数字性。此外，电感器或变压器和电容器在实现数字电源时也是不能没有的。

    在单片DC/DC转换器中，开关设计总是会归结为一个真实世界的模拟问题。例如，与关键电场和电流密度有关的问题不会让它们至高级软件语言编程的非实际水平。无论是MOS还是双极型，当开关闭合时，它一定会流过电流并有一点压降。当开关断开时，它一定会切断电压，同时流过一点或没有电流。这些是模拟的、真实世界的物理属性，而且开关设计是所有开关稳压器电源供应商都必须具有的一种基本核心的能力，甚至控制器产品也有MOSFET驱动器，它们也受到相同的限制。过去，开关稳压器设计师们根据所需开关性能选择特定的工艺技术。能够工作在40V的开关稳压器显然需要能够工作在40V的晶体管技术。当采用相对简单、没有几道掩模工序的工艺技术时，模拟控制电路采用相同的晶体管是设计和制造开关稳压器的最简单方式，今天更先进的工艺技术可以集成高压器件以及为数字处理而优化的高密度低压器件，但是这样的工艺需要更多的掩模，因此成本更高。

    像生命中的大多数选择一样，数字电源的选择最终也归结为经济问题：为什么不采用简单的工艺技术，只为整个开关提供高压器件？如果不必采用既能制造高压器件又能制造高密度亚微米逻辑器件的工艺技术，那么为什么非要采用这样的技术来增加自己的负担？当可以采用13个掩模的工艺流程时，为什么要使用30个掩模的工艺流程？为什么用3万门的DSP代替30个晶体管的误差放大器？客户益处在哪里？凌特公司出售很多能工作在25V、36V、40V或60V输入的开关稳压器产品。

    这些产品大多数都是模拟设计的，它们满足了客户的需求。尽管可以采用更复杂的工艺技术制造高密度逻辑器件和高压器件，但是这对客户有什么帮助？可重编程性被认为是数字电源的一个特点，但是大多数客户都是购买特定的集成电路来实现特定的功能。例如，如果一个汽车行业的客户需要一个40V至3.3V的转换器，他不会希望或在乎能否制造出同样的集成电路，将3.3V转换成40V。

    每年有几百万个DC/DC转换器集成电路卖到多种多样的市场中。仅单片DC/DC集成电路（其电源开关或多个开关与控制电路位于同一芯片上）的功率就覆盖了从毫瓦到数百瓦的范围。输出电流从几mA到100A，输出电压从低于1V到330V。多家厂商提供几千种集成电路供你选择。凌特公司制造很多种DC/DC产品，销售到从移动电话、汽车、LCDTV、基站、大型服务器到路由器的多个市场。这些市场的需求千变万化，尽管每个市场上的每个客户都希望解决方案能解决问题，但是他们很少关心集成电路是怎么完成这种任务。集成电路制造商和大学发表的一些数字电源实现方案是非常有趣的技术成就，但是现代模拟实现方法实际上表现得更好。

    凌特公司一年又一年地生产市场领先的开关稳压器产品，因为凌特拥有很多富有经验的工程师，他们都有几十年的高性能模拟器件设计经验。客户选择凌特公司的产品是因为产品性能好，他们并不关心这些产品内部是模拟的还是数字的。尽管凌特公司电源产品的数字成份每年都只是适度增加，但是我们会保持住自己的领先地位，即使“数字电源”的大部分成份都是模拟的也一样。