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    數字電源不再“紙上談兵”,規模應用仍面臨挑戰

    2006-08-17

        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。為了幫助他們實現向32位數字信號控制器(DSC)的過渡,TI最新推出四款新型TMS320F280x數字信號控制器(已經實現量產),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也發布了最新的DSC產品。但是與TI從高端應用切入不同,Microchip的產品主要針對低端或簡單級別數字電源,價格2.99美元起,對某些具體應用而言也頗具成本優勢。 
        兩大半導體巨頭相繼推出的低成本DSC使數字電源的應用不再是“紙上談兵”,但是從目前的情況來看,由于絕大多數開關電源都是采用傳統的模擬電路,數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品定義,再到廣泛應用,數字電源的規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產品不僅具備32位DSP性能,而且實現了與MCU相似的外設集成,方便易用,主要面向數字電源、馬達控制以及智能傳感器控制等應用。


    TI的TMS320F280x結構圖

        四款新品都采用F280x的設計,均可實現32位寬度的數據處理,每秒375萬次采樣的12位模數轉換器(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上海應用開發中心工業和家電部經理于振宇介紹:“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,創造了F28xx系列產品的新紀錄。價格達到了16位單片機水平,但性能不可同日而語。” 
        作為電源轉換行業領先的單片機和模擬控制產品供應商,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勢。 
        “當前,由于缺乏有效的解決方案,對整個電源轉換回路進行數字控制的應用發展緩慢。dsPIC DSC SMPS解決方案在某些應用實例中的成本和性能優勢非常明顯,如帶多路輸出、協調負載共享,熱插拔能力、輸出協調、集成功率因數校正或豐富故障處理的電源。”Microchip公司數字信號控制器部門戰略市場總監Steve Marsh進一步強調:“Microchip是第一家能夠真正做到數字電源控制的廠商,dsPIC系列DSC能幫助設計人員實現對產品的全面數字控制。” 
        DSP與MCU融合成為趨勢,TI與Microchip欲爭寵
        一邊是DSP行業老大,一邊是單片機(MCU)領域的佼佼者,兩家半導體巨頭都對數字電源應用前景非常樂觀,分別從傳統DSP和傳統MCU角度切入,以融合DSP與MCU的解決方案進軍數字電源領域。傳統MCU做控制應用比較友好,但數字處理能力弱;傳統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、數據接口、ADC等外設,其控制應用不是很友好。因而,DSP與MCU融合成為行業發展趨勢。 
        結合了兩者的優點,DSP高性能與MCU易用性的完美融合是TI新型F280x產品的關鍵賣點。該系列產品有個特點,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MCU工程師正在逐漸向DSP轉移,DSP設計方便,而且模型建立后,其編程也很方便,加之其系統性、可移植性、可維護性的優勢,未來向DSP轉移是必然趨勢。” 
        但背靠MCU發家的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。”他接著補充道:“原來的產品是兩個指令流,一個用于DSP,一個用于單片機,Microchip新推出的DSC是單指令流,在整個架構中,它使用C語言編譯器,編碼非常高效。” 
        模擬向數字切換,設計人員重新面臨挑戰 
        隨著電源系統的性能和功率的不斷提高,實現該性能所必需的元件數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字電路實現,未來在電源系統控制應用中將是模擬與數字共存。 
        Marsh表示:“在DC/DC應用中,通常是在100瓦特以上的系統中會應用數字控制技術;而在AC/DC應用中,250瓦特以上的系統會應用數字技術,這樣的應用經濟性會更高一些。對于更為復雜的應用,如果客戶想繼續在系統上增加性能,就會更多地采用全面的數字技術,因為模擬的系統已經不能實現那么高的經濟性了。” 
        目前,由于絕大多數開關電源設計人員一直采用傳統模擬電路,數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:“在電源系統數字化、智能化的趨勢下,對電源的狀態控制和了解要求也越來越高,模擬控制轉到數字控制面臨很多挑戰。首先是響應速度或帶寬,模擬控制對信號狀態的反應是瞬時的,而數字控制電路是一個采樣系統,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,設計人員已經習慣模擬設計可靠性,變成數字設計時如何提高并保證可靠性,他們不知道怎么面對。”為此,TI專門組建了由負責C2000產品和模擬電路設計的資深工程師組成的數字電源產品團隊,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,數字電源應用的規模啟動到底需要什么樣的芯片?盡管每家公司都宣稱有“好”的產品,但從現實情況來看,規模應用還需要一個過程。據了解,目前幾家中國通信電源廠商已開始采用TI產品投入量產,另有一些還處于產品研發階段。但是盡管當前主要仍是一些大公司利用數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。


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