可编程弹性显优势　数字电源管理IC大放异彩

精准监控电流/电压　数字电源管理需求看涨

　　过往工程师在开发电子元件时若须调整元件电源效率，往往须大费周章调整电路板，因此业界提出数字电源系统管理技术，协助元件开发商在短时间内以数字介面监测、修改元件参数（Parameter），以提高元件能源使用效率。

图1　凌力尔特微型模组电源产品行销经理Afshin Odabaee表示，
数字电源管理技术将有助于资料中心厂商精准监控电力使用情形。

　　凌力尔特（Linear Technology） μModule电源产品行销经理Afshin Odabaee（图1）表示，伺服器从元件、电路板至系统整体的耗电变化已成为资料中心可靠度的重要指标，不过，要减少整体电力消耗则须精准观察每个层级的用电量（图2）。数字电源系统管理技术能透过数字汇流排（Digital Bus）提供设计人员重要的电源相关数据，包括负载电流、输入电流、输出电压、运算电力消耗、整体效率以及其他电源管理参数等。

　　图2　数字电源系统管理技术将层层把关电源消耗情形。

　　Odabaee进一步指出，与传统负载点（Point of Load， POL）转换器相较，数字电源系统管理技术能提供三大优势，包括电压优化（Voltage Optimization）、动态控制电压输出以及系统级的电力监控。

　　关于电压优化特色，Odabaee分析，由于电压输出精准度对特定应用积体电路（ASIC）及现场可编程闸阵列（FPGA）供电而言至关重要，但传统电源供应输出电压在温度变化时容易产生飘移（Drift），并可能破坏整体设计。数字电源系统管理技术则能持续地以高精度及可靠的类比数字转换器（ADC）量测电压输出情形。与此同时，时间伺服回路（Time Servo Loop）将自动调整修正数字类比转换器（Trim DAC）值，藉此消除输出电压偏移情形，改善供电精准度。

　　另一方面，数字电源系统管理技术还能动态控制输出电压。传统电源供应电压通常系固定的，且无法简单地改变；数字电源系统管理方案将可透过双线（2-wire）数字介面，调整1毫伏特（mV）以下的电源变化，工程师可轻松地以此调整系统效能、最小化能源浪费。

　　事实上，数字电源系统管理技术最重要的功能系系统级电源监控。传统电源供应方案中，电源监控功能往往被分开放至直流对直流（DC-DC）稳压器 （Regulator）上，仅有部分过电压/低电压（OV/UV）以及过电流（OC）错误可被侦测并传送至主控制器中；数字电源系统管理技术的电源监控则系内建功能且可编程。数字电源系统管理技术可计算电压/电流错误与高精度电压、电流及温度等变化关联情形，并储存于内部非挥发性记忆体，以进一步除错，并且分析根本肇因。

　　凌力尔特最新μModule降压DC-DC稳压器--LTM4676已导入数字电源系统管理技术，在16毫米 （mm）×16毫米×5.01毫米的球闸阵列（BGA）封装中，整合双组类比控制回路、精密混合讯号电路、电子式可清除可编程唯读记忆体 （EEPROM）、功率金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）、电感和支援零组件，可弹性调整电源供应情形，提高能源使用效率。

　　事实上，除透过数字电源系统管理技术确保能源效率外，电源管理IC若本身具备可编程特色，将为整体电源管理效能增添助力。

　　由于可编程电源管理积体电路（Programmable Power Management IC）不仅具备高弹性电源调整空间，且可减少电阻、电容元件的使用颗数，显著缩小电路板面积，因而吸引赛灵思（Xilinx）、Altera、英特尔 （Intel）、飞思卡尔（Freescale）等晶片大厂相继推出参考设计，欲抢先卡位高达1.5亿美元的潜在市场（TAM）。

　　具动态调节优势　可编程PMIC前景可期

图3　EXAR电源管理与AMS副总裁James Lougheed认为，
可编程电源管理方案已成为整体电源管理方案中快速成长的一大类别。

　　EXAR 电源管理与类比混合讯号（AMS）副总裁James Lougheed（图3）表示，整体电源管理市场产值正明显跃升，除线性产品与非独立式DC-DC切换稳压器各具备35亿美元的市场潜力外，可编程电源管理产品前景更是不容小觑，目前已有超过一百家以上的x86及安谋国际（ARM）架构的伺服器、基地台、影像监控（Video Surveillance）及家庭闸道（Home Gateway）业者看好可编程电源IC低成本、高整合度的优势，将其大量导入产品设计中。

　　Lougheed分析，电源管理市场正掀动一股产业变化，为可编程电源管理方案带来快速成长的契机，包括智慧电源供应（Intelligent Power Supply）以及模组电源（Module Power）等需求皆迅速增加。

　　以智慧电源供应需求为例，电源监控方案除须提升至系统层级外，尚须减少元件数量及整体电路板面积，以提高电源监测可靠度。与此同时，电源监控方案须支援多重关闭模式（Multiple Shutdown Modes）及动态电压规模（Dynamic Voltage Scaling），以避免多余电源浪费情形。

　　Lougheed比较传统类比脉宽调变（PWM）以及可编程电源管理方案两者的四通道方案元件颗数，前者需一百四十八颗、后者仅需三十三颗，可显著减少电路板占位面积。

　　事实上，电源方案厂商若要在短时间内针对企业、工业等各式不同应用端设计产品，将倾向采用模组化的可编程电源管理方案，除可省却重新设计系统的麻烦，亦可在伺服器、网路或通讯设备有限的空间中发挥电源管理方案的最大效益。

　　据了解，由于可编程电源管理市场发展潜力庞大，因此EXAR除发表一系列切换控制器、线性稳压器外，更大规模投资多重输出数字控制器（Multi Output Digital Controller）--PowerXR系列产品，欲于网路、电信、伺服器以及工业等各大应用市场大显身手。

　　同样看好可编程电源管理市场前景，现场可编程闸阵列（FPGA）厂商赛灵思、Altera以及晶片大厂英特尔、飞思卡尔、博通（Broadcom）、超微 （AMD）等也已推出采用EXAR PowerXR方案的可编程电源管理参考设计，预备于未来几年挟数字电源的可编程弹性大举抢市。

　　值得一提的是，Altera为进一步改善FPGA耗电表现，除与业界推出参考设计外，更于今年5月斥资1.4亿美元并购DC-DC电源晶片厂商Enpirion，并新增一系列高效率DC-DC电源转换产品线--PowerSoC系列。

　　Enpirion电源专业发功　Altera优化FPGA功耗

　　Altera已将电源方案整合至旗下FPGA参考设计，期提供客户更高的FPGA电源转换效率及更小的电路板面积，希望藉由高效率电源管理方案巩固市场地位。

图4　Altera电源事业行销总监Mark Davidson指出，Altera最新
电源优化参考设计让客户仅需简易三步骤即可完成产品设计。

　　Altera 电源事业行销总监Mark Davidson（图4）表示，电源管理设计对Altera客户而言已成为决定产品成败的重要关键，因此，该公司除针对成本、频宽等不同需求推出各式复杂可程式逻辑元件（CPLD）及FPGA产品线外，更在并购Enpirion后加入完整、易上手且高效率的电源解决方案，并使其与Altera旗下FPGA 产品搭配，为客户提供更高产品附加价值，且让客户可于短时间内设计出更高效能的系统。

　　Davidson强调，Altera除将持续提供自有的FPGA电源管理专业外，更将借力Enpirion独特的DC-DC电源技术优势，包括先进电源封装（Advanced Power Packaging）、电磁工程（Magnetics Engineering）、高频率切换（High Frequency Switching）等，并将上述优势的高整合PowerSoC系列产品与Altera旗下FPGA产品线进一步结合，强化FPGA电源管理效能。

　　据了解，由于Enpirion的PowerSoC DC-DC电源转换器在极小的封装中整合控制器、高频功率场效电晶体（High Frequency Power FET）以及数个电感器（Inductor），因而可以在理想的电路板占位面积中满足FPGA电源动态表现需求。与竞争对手方案相较，Enpirion电源解决方案可协助FPGA电路板开发商减少50%以上占位面积、提升35%整体系统电源表现效率（图5）。

　　图5　Enpirion电源管理方案将可提升Altera旗下FPGA的电源效率。

　　不仅如此，Enpirion电源解决方案的控制回路（Control Loop）可产生理想的暂态表现，因此Altera客户可减少使用50%以上的大型解耦电容器（Bulk Decoupling Capacitor）颗数；另外，Altera亦利用本身专业，以高效率切换式稳压器（Switching Regulator）替代线性（Linear）调整方案，提供低噪（Low Noise）及高效率电力转换器与锁相回路（PLL）。综合以上技术，Altera可协助客户显著减少元件颗数，并提供更高的产品可靠度以及延长产品生命周期。

　　Altera约半年前并购Enpirion后，于10月推出首款电源优化FPGA参考设计，提供FPGA使用者及电路板开发商一套完整（Turnkey）的电源解决方案。Altera首款参考设计将锁定Cyclone V系统单晶片（SoC）系列，而第四季稍晚该公司亦将陆续发表Stratix V、Arria V与Cyclone V FPGA系列电源优化参考设计，而上述产品皆基于28奈米（nm）制程生产；除此之外，2014年上半年Altera将进一步发表针对28奈米制程产品电源优化方案的完整开发套件，协助客户大幅缩短系统开发时间。

业界透过并购案强化数字电源管理技术能力的厂商不只一家，戴乐格 （Dialog）今年7月并购交流对直流（AC-DC）数字电源管理IC商iWatt后，也展开一连串的市场拓展动作，期利用iWatt既有的AC-DC 电源管理技术、专利及LED专业，于数字电