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功率技術/新能源  

數位電源管理即將改變產業價值生態

上網時間: 2006年10月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源管理  數位電源  數位電源管理  類比  power management 

數位電源管理是一項新興技術,將其與傳統類比電源管理相比並不公平,因為後者是以特殊/固定的方式來解決特定問題,且不具備通訊功能。問題並不僅是‘數位方式是否能比類比方式表現得更出色?’,還包括‘未來路線圖的發展’(即摩爾定律)。

我們並非比較類比與數位技術,而是哪種技術最適合特定應用。在一項設計中(圖1),類比與數位各有其主宰領域,中間地帶則是從類比到數位的轉換。在性能範圍中,從帶晶上非揮發性記憶體的簡單低成本狀態機到類比領域中基於DSP的複雜方案,各種數位方案各自擁有一片天地(圖2)。

實際客戶不再侷限於設計工程師,還包括採購、測試、品質保證、製造、保固/維修等環節(圖3)。因此,價值主張(value proposition)的成本要求比嚴格滿足一種技術/元件更高,它已擴展至支援節能、降低產品生命週期成本以及‘你所能想到的各個方面’,它已成為非技術人員的工作;不久前,非技術人員在新產品創建過程中尚無發言權。那麼,為何不邀請行銷人員參與並使其成為客戶價值主張的一部份呢?系統級的電源管理功能可實現大幅差異化,因此,強調諸如節能模式、狀況回報、遠端監控等可能性非常重要。

解決方案的成本已無法再透過簡單的對比來衡量,因為除了元件價值外,數位方案還為非設計工程師的客戶帶來無可言喻的價值,如更快/更容易的測試、更高的可靠性、更高的良率以及更少的退貨和維修。同時,企業與客戶正被迫考量一種產品對社會的影響,因此實際價值必須納入擁有及處置成本。過去10年,‘成本為王’的原則開始暴露出其弊端,而能源需求的失衡也迫使人們再次重新考慮品質與產量。

過去通用的類比元件將不再有大量需求,也不再進行大規模生產;而能讓用戶定製的數位元件將更受青睞。類比元件的維護、可用性、可靠性問題將使其成本居高不下,而數位方案成本將受益於摩爾定律。

數位電源與數位處理電源管理需求將同步成長(圖4),業界將出現‘向數位控制的轉移’的典範,其中‘成本為電源業務關鍵’的模式將被‘價值至上’模式取代。因此,回歸品質是必須的,它將改變潮流。

元件決策考量

傳統上,設計工程師是一項專案中決定元件的主要決策者。這些元件通常具備很長的生命週期。但隨著技術的迅速發展以及經濟體系全球化,許多元件的重點已從內在的設計及性能價值轉向如何以最低成本製造並行銷。為追逐短期利益,製造和設計移向海外,客戶不再是設計工程師,而是結合了各種不同單位,有時設計工程師甚至置身事外。那麼,目前的客戶是哪些人?他們關注的又是什麼呢?

事實上,從事類比、數位、電源轉換等工作的工程師仍是主要客戶,但許多他們專注的市場,如高階伺服器、數據通訊/網路/儲存、自動測試設備、軍事、電信、工業、醫療等應用,其背後的主要驅動力都已從高階性能轉向低階的成本。

高、低階成本結構本身存在著差異。理論上,高階成本是使用週期成本,包括擁有和處置成本。而低階成本基本由元件和勞力構成,不考慮擁有、保全、服務或處置。所以,基於服務市場的不同,主要的關注程度也不同,但主要包括性能、空間、成本、適應性、風險、設計時間、可用性/第二資源和支援能力等。

在高階和中階應用中可導入計劃負責人機制,以負責監控系統級成本。在中高階應用中,整體性能、系統成本、風險、上市時間、客戶與供應商之間的關係是主要考量。而品質問題可由專人處理,或將其列入設計工程師的討論議程。無論哪種方式,相關機構的批准、可靠性數據和確實的檢查將是關注焦點。

許多大企業中會設立測試工程師的職位,而小公司則可由設計工程師兼任,重點是需進行多少測試,以及該項工作是否可容易地完成。在元件可靠性方面,必須瞭解製造商的需求,並關注其製造能力,包括他們如何組裝元件,以及是否存在著導致低產出或影響元件可靠性的原因。


圖1:性價比:美元對容量


圖2:數位與類比的融合


圖3:價值鏈


圖4:功率密度趨勢

加值服務

設計工程師主要關注的因素包括性能、空間、成本、適應性、風險、設計時間、可用性/第二資源及支援等,雖然這些因素中的大多數是相互關聯的,但其中某些項目需要特別關注。

以性能為例,它意味著完全滿足全部作業和環境條件下的規格。包括元件容差、老化影響、溫度補償等靜態性能對數位方案來說不成問題,它們可由A/D在開始時透過校準和查找表進行補償。但以動態性能來看,能基於干擾訊號幅值選擇做出反映的能力讓數位方案更具優勢。數位方案通常受益於內建記憶體和通訊能力,能在所需時間中對事件做出響應。

以空間為例,日益緊縮的空間將帶來兩個問題,即效能與熱問題。空間問題還牽涉到採用高成本的高整合度方案,或是使用靈活的低成本分離式方案等議題。增加開關頻率可採用更小體積的電感和電容器,因而縮小了空間。在700kHz到1Mhz及更高頻段,源於電源級的寄生阻抗,分離式方案將不再適用。雖然增加開關頻率縮小了空間,但加速頻率會增加額外的開關損失(熱),而縮小的空間則減少了冷卻散熱空間。

因此,許多系統需要散熱器及充足的冷卻氣流。但由此衍生的問題是控制器允許的工作溫度與電源級中,為取得相同使用壽命間的不匹配。因此,整合方案的額外成本隱含著強迫電源級以與控制器相同的溫度工作,因而浪費了晶片能力;或迫使控制器工作於電源級的較高溫度,因而影響可靠性,並縮短了使用週期。

除了透過降低開關頻率增加效率外,某些設計無法採用專門冷卻方法,因而排除了使用整合方案的可能性。但某些另外的設計則由於對噪音的敏感性,不允許採用高的開關頻率。這意味著整合方案在高功率(數十安培)應用中所佔的市場較小,而在低功率(幾安培)領域所佔的市場較大。但無論何種市場,大多數整合方案都會帶來額外成本和可靠性問題。

最後,就品質保證角度來看,以ISO認證為例,需要矽晶片和封裝相關的可靠性數據、高溫條件下記憶體的保持狀況等資訊,而採用標準數位製程比對應類比產品更容易獲得這些資訊。

儘管部份業界人士仍認為數位方案的複雜性將會以應用開發時間為代價,但實際情況並非必定如此,因為採用圖形化用戶介面(GUI)將大幅節省開發時間。許多傳統類比工程師對數位方案持否定態度,但作為專業人員,瞭解客戶期望和需要是我們的職責。為客戶提供最合適的選擇是唯一的雙贏策略,客戶將藉此獲得最高價值。

作者:Sabin Lupan

資深現場應用工程師

Primarion公司




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