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目前电源技术可能已经达到一个巅峰前几年拼转换效率的做法已经告一段落有技术储备的厂商开始改走人性化的道路除了转换效率之外还通过对电源其他方面的特性进行提升由此融合了状态监测以及控制的数字电源逐渐受到市场青睐
市场普遍认为年全球数字电源市场将繁荣发展越来越多地用于IT基础设施之中预计年全球数字电源市场营业收入将增至亿美元是年预期水平亿美元的三倍多今年营业收入将在年亿美元的基础上强劲增长%具体如下图所示
全球数字电源市场营业收入预测(单位是亿美元)
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美元却集成了高速高精度ADCDACPWM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?
应用领域不断扩张
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年占到整体营业收入的%年该领域的复合年度增长率将达%而增长最快的数字电源应用领域将是照明预计年该领域的复合年度增长率将达%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%和%主要家用电器将增长%手机将增长%
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%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W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W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
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