数字电源的技术与市场发展趋势

       数字电源市场目前是电源管理产业中增长最快的领域之一。早期采用数字电源的领域包括信息技术与通讯基础设施应用，比如服务器和电信/数据通讯设备。现在，数字电源技术也开始向照明与消费导向的应用领域扩展，包括PC、家电和手机。　　

市场的必然选择　　

       随着半导体工艺技术的不断升级，电路板上的元器件运行速度更快、体积更小，而且还要求更多、更低的供电电压和更大的供电电流；最终系统的功能不断增加，平均售价却不断下降。此外，用户对电源的故障修复时间、电源运行状态的感知与控制的要求越来越高，电源设计人员不再满足于实时监控电流、电压、温度，还提出了诊断电源供应情况、灵活设定每个输出电压参数的要求。而这些需求已是今日的模拟解决方案难以满足的。

       当模拟电源控制的局限性对上了电源管理发展新思路的数字电源的优势时，这个转换过渡就成了市场发展的必然结果。数字电源的目标就是将电源转换与电源管理架构用数字方法集成到单芯片中，实现智能、高效的转换与控制及通信。　　

       相对模拟系统而言，数字系统在开关电源中具有设计周期短、灵活多变、易实现模块化管理、能够消除由离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。因此，数字电源在高精度电源中的应用越来越广泛，成为现代电源技术发展的一个重要方向。数字电源相对模拟电源的重要优势在于数字器件本身的灵活性。数字器件控制的电源内部参数可以在线调整，这就意味着电源的动态特性是可变的，能顺应负载在相当大的范围内变化同时还能保证一定的性能。数字电源的通讯优势使电源设备具有多样化的远程控制方式，这会给设备的运行、监察带来很多好处。　　

       而数字电源对模拟电源最致命的威胁却是数字技术的超快速发展，它几乎快的有点让人喘不过气来。在几年前单片机是单片机，DSP是DSP，界线好像挺清楚，现在32位的ARM也好，DSP也好，都是改进型的哈佛结构，构架的差别越来越模糊，性能越来越强，价格却越来越低。几年后，当低于1美元却集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM输出的高性能数字器件放在你面前时，你还会正眼瞧瞧模拟电源吗？目前数字电源已打进PC和通讯领域等主流市场，并逐渐渗透至其他电子领域。由于数位电源可减少周边元件数量，并拥有更优异的即时控制与软体配置功能，未来将将逐渐接替模拟电源的地位，快速扩大市场渗透率。　　

       尤其在云端运算服务蓬勃发展之际，伺服器激增导致大量耗电，让资料中心业者对设备节能要求更加严格，而用户端设备也诉求长时间待机能力，促使电源设计架构翻新。此新的节能要求无疑也为壮大数字电源市场再添动力。　　

       而数字电源与类比电源相比，不仅性能更高、功能也更加完整，导致很多使用者在低端业务领域开始采用成本最低的模拟数位电源，而在高端业务领域则采用纯数位电源。未来，随着数位电源的需求量成长与开发成本的改善，也将逐渐向低端业务领域扩张，反观模拟电源，则会因功能局限性而无法升入高端业务领域。为实现更多电源监控与用电效率管理的价值，目前高阶伺服器和主机板几乎已全面导入数位电源，加速取代传统类比设计。未来，数位电源的市场发展更将如星火燎原，切入各个应用市场。　　

       目前，服务器是数字电源的最大单一市场，预计2013年占到整体营业收入的33%。2012-2017年该领域的复合年度增长率将达44.8%。而增长最快的数字电源应用领域将是照明，预计2012-2017年该领域的复合年度增长率将达146%。增长动力将来自LED照明解决方案的使用不断增长，这些解决方案适合采用数字电源控制与监控。　　

       同时，在上述预测期内，笔记本与平板PC中的数字电源的复合年度增长将分别达99%和82%。主要家用电器将增长76%，手机将增长52%。　　当数字电源需求量明显成长后，电源供应商也将倾向提供一系列的整合设计方案，而非单一元件，因此投资数字电源的使用者须针对低、中和高端系统的产品进行设计；其次，他们也需要全套数位电源开发工具，包括硬体和图形使用者介面(GUI)。最后，还须从一个供应商获得相关周边元件，如MOSFET，才能创建完整解决方案。　　

       数字电源的发展将刺激相关半导体市场快速增长。由于芯片在终端设备中既用于电路板层面，也用于数字电源之中，所以预计电源IC市场增长速度将快于数字电源市场。　　

成本与技术局限　　

       即便现在数字电源炙手可热，但工程师们对数字电源的接受速度似乎并不理想。最大的原因在于，相对于模拟电源而言，数字电源的成本偏高并涉及专利侵权。　　

       据全球具有领先地位的关键信息、产品、解决方案和服务供应商HIS对制造商与设计者的访问，总共有27%表示成本仍然是该市场面临的最大障碍。这突出表明部分潜在使用者对于数字解决方案可以带来的总体成本节省还缺乏了解。而成本控制一直是拿下中国市场的绝对法则，数字电源虽早在十几年前就出现了，但是因为高高在上的价格让它一直局限在一些特殊的高端应用里。让人欣慰的是这些年来电子技术的快速进步，让数字控制芯片性能不断飞跃、价格逐渐下跌，数字电源才开始慢慢渗透占领传统模拟电源的应用领域。目前两大半导体巨头TI与Microchip已相继推出低成本DSC，使数字电源的应用不再是“纸上谈兵”。不过从目前的情况来看，由于绝大多数开关电源都是采用传统的模拟电路，数字控制电源作为一种新兴技术仍处于摸索阶段，从设计人员切换到产品定义，再到广泛应用，数字电源的规模应用仍需要一个过程。        

       同时，人们对于数字电源产品还有一个担心，就是它还不像模拟电源那样经过多年应用的考验，因而可靠性不高。但就像数字电路在概念上就优于模拟电路一样，可靠性是设计的问题，而不是数字化的问题。而从用户的角度来说，也只有当数字电源的成本等于或低于模拟电源，同时又能提供模拟电源做不到的许多先进功能的时候，数字电源才会普及。　　

       数字电源中包含的技术无疑是复杂的，但它的使用并不一定就复杂。不过它要求设计人员具有一定的程序设计能力，而目前的电源设计人员普遍都是模拟设计为主，缺乏编程方面的训练，这对数字电源的推广也是一个巨大的障碍。　　

       数字电源另外一个劣势在于，模拟控制对信号状态的反应是瞬时的，而数字电源则需要一个采样、量化和处理的过程来对负载的变化做出反馈，因此它对负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源。数字电源的占板面积要大于模拟电源，精度和效率也比模拟电源稍差。　　

       所以目前的状况仍是在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势，多被用上。　　

       一般认为，在设计DC/DC变换器时，通常100W以上的系统中会应用数字控制技术；而在设计AC/DC变换器时，250W以上的系统会应用数字技术，这样电源的经济性会更高一些。因此，在未来的电源系统中，模拟与数字技术将共存相当一段时间。30年前，电源行业转向开关电源是一个很大的变化，而电源数字化趋势将会是一个更大的变化。　　

       综上所述，在简单易用、参数变更不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现。而在可控因素较多、需要更快实时反应速度、需要管理多个电源、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。　　

结语　　

       数字电源技术为电源设计领域注入了新的活力，同时也对电源设计人员提出了更高的要求。如何在传统技术的基础上不断创新，进而设计出满足未来市场需求的电源系统将成为电源设计人员必须面对的新课题。　　

       但我们仍然相信，随着数字控制技术的发展和市场需求的驱动，电源领域里数字电源的优势将会越来越明显，缺陷也将逐步得到克服改善。当然我们也明白，从模拟电源到数字电源的完全转换还有待时间渐进，因此模拟和数字控制技术将在未来数年内共存。