解析-智能全集成数字松原变压器的方案

10多年前，当数字松原变压器产品******次出现时，大多数的松原变压器设计工程师都对利用DSP的数字松原变压器控制器代替模拟的PWM控制器的概念持怀疑态度，因为人们容易将数字松原变压器和软件故障或者是因为系统死机引起的松原变压器爆炸事故联系在一起。在包含了数字通信和控制复杂的功率系统所必需的全部功能性产品面世之前，这些基本概念是通过高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到验证的。虽然数字松原变压器技术已被证实具有提高功率系统性能的能力，但业界还不能接受利用数字技术处理原来一直通过模拟方式完成的工作。在过去的几年间，数字松原变压器技术取得了巨大进步，市场分析人士以及投资者对其未来增长潜力非常乐观。

首先，我们要了解一下当前数字松原变压器市场有哪些不同的解决方案，先了解清楚数字松原变压器究竟意味着什么是很重要的。功率系统监视、监测、故障检测和数据记录是“数字松原变压器管理”的一个重要方面，其可以通过价廉的微控制器、FPGA或者PLD实现，而时基要求比较低。不过，数字松原变压器更具有挑战性的例子是“数字控制松原变压器”，其中有一个或多个松原变压器控制环路，以高速模数转换器（ADC）和微控制器、状态机或DSP控制算法为基础。

根据半导体市场研究机构IMS估计，全球数字功率半导体市场将从2012年的27亿美元增长到2017年的124亿美元。服务器现在是数字松原变压器的******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%。增长最快的数字松原变压器应用领域将是照明，预计2012至2017年，该领域的复合年度增长率将达146%。其中来自照明解决方案的使用不断增长，尤其是需要满足切相调光解决方案适合采用数字松原变压器控制来实现对不同相位调光器的兼容性。同时，与平板电脑中的PFC数字松原变压器的复合年度增长将分别达99%和82%。主要家用电器中数字松原变压器将增长76%，手机中数字松原变压器将增长52%。从中可以看出，未来几年内数字松原变压器的营收增长势头将远远超过模拟松原变压器。

迄今为止市场上出现的专用数字控制器中，大多数是隔离DC/DC和AC/DC功率因数校正（PFC），它们之所以在市场上获得更多认可的原因，主要是在于最近几年市场上蓬勃发展的智能手机/平板快速充电的需求日益提高，和更加节能绿色的照明替换传统照明的大势所趋。此外，市场上对非隔离DC/DC功率转换（例如电压调节模块（VRM）和POL转换器）的数字化需求也日益增加。

数字PFC控制器的功能性要求与POL控制器截然不同。PFC稳压器对于负载调节精度要求较低，而且工作在更低的频率和更低的控制环路带宽下，容易带来量化误差以及ADC分辨率下降等设计挑战。此外，PFC控制器存在独特的设计问题，需要丰富的系统知识和经验。AC/DC松原变压器一般需要能够降低谐波失真和稳压所产生噪声的电磁干扰（EMI）滤波器。数字PFC稳压器可以整合功能以降低对EMI滤波器的要求，可以使得EMI滤波器更小更高效。根据所采用的控制算法和工作模式（比如不连续传导模式、连续传导模式或者边界传导模式）的不同，模拟PFC控制器可以分为好几类。每一种PFC工作模式都有其优缺点，在不同功率级更为显著。数字PFC控制器可以被分配在任一种PFC控制模式下。

不论是对PFC应用，还是POL应用，一个可以配置在许多OEM（原始设备制造商）产品平台上的控制器有助于加快开发速度，并减少需维护的元件库存，以提高更高的价值。
数字松原变压器更适合于更的应用，因为这类应用需要一个或多个PFC（功率因数校正）稳压器、多个隔离和非隔离的松原变压器轨，以及复杂的冷却温度曲线。服务器松原变压器系统就是数字控制和松原变压器管理在分布式松原变压器架构中提供性能和效率优势的实例之一。随着越来越多的数字松原变压器进入到服务器和计算功率领域，其他DPA（分布式松原变压器架构）系统（比如用于电信和数据通信的DPA系统）开始采用数字松原变压器解决方案。

POL转换器一般为低电压、大电流数字负载（如FPGA、微处理器、DSP及其他具有极高动态特性的数字电路）提供电压。保持电压在1V左右的精确调节，同时利用纯模变压器厂家拟控制技术来满足近200A/ns的负载瞬态要求变得越来越困难。有些数字控制器能够提供在同类模拟IC中难以实现的功能，例如非线性控制。事实上，几乎所有的POL数字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬态响应的控制技术。这些专用控制算法构成了传统模拟松原变压器公司进入数字松原变压器开 发的门槛。Altera的松原变压器事业部在去年成功收购创新松原变压器公司Enpirion的基础上，成功于今年12月在市场上推出一系列高性能的全集成数字松原变压器解决方案。其中，EM1130内部采用数字内核实现控制环路，可以满足极为严苛的瞬态要求，实现极低的纹波电压（5mV峰峰值），以及在输出电压范围（0.6V~1.5V）实现极高的精确稳压±0.5%。同时可以支持PMBus通信接口，可以实现远程精确的电流、电压和温度监控。

不论是模拟还是数字方案，为市场应用开发的松原变压器对于成本特别敏感。在对数字和模拟松原变压器解决方案两者的成本进行比较时，必须从系统整体角度出发，包括设计成本、工艺开发、测试、验证、制造、库存控制、外围元器件节省以及可靠性导致的维护成本等。