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模拟电源芯片的数字化浪潮袭来

2022-08-31 09:53 来源:水芯电子 编辑:电源网

追溯电源的发展历史,至今已有 70 多年了。20 世纪 50 年代,美国 NASA 研制出第一代 开关电源,它又被称作交换式电源、开关变换器。随着应用的发展与需求,50 多年前美国 公司又研发出了最早的电源芯片,这颗芯片的到来,意味着电源芯片时代的正式开启。

但最初的电源芯片是模拟形式实现的,它主要是可以实现最简单的升、降压功能。 

那模拟电源芯片是什么?简单的来说,模拟电源芯片就是用放大器、比较器、驱动器、 电阻、电容等模拟器件进行电源转换和控制的芯片。其功能是实现不同电压、电流间的转换 和控制。

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图源自:水芯电子

但随着电源行业的进步,模拟电源芯片也出现了一些不足:

1.模拟电源单芯片的优势是可以很简便的实现对电源的基本控制功能,但对单芯片的修 改却是无法实现的。可电源的需求极其碎片化,而为了满足不断出现的新设计需求,研发的 模拟电源芯片型号就会越来越多,以至于高达几万种,这势必需要大量的高级模拟芯片设计 工程师、巨额资金投入,以及不可想象的研发时间投入等等。

2.模拟电源芯片采用的是典型的“器件”设计思维,每颗模拟电源芯片只能做到负责实 现单一、简单的电源转换功能,每个电源都需要选择大量的器件来完成一个完整的电源设计。 这种电源设计方法带来的直接结果就是:电源设计很难重用、设计效率极低、设计难度大、 系统性能差。

3.一颗模拟电源芯片从研发、投片、封装测试、改版、量产,一般需要 2 年时间。所以 用来研制数万款芯片的时间,统计出来则是无法想象的天文数字。尤其是研发高端的车规级 芯片,往往会需要高达 3-5 年。

4.模拟电源芯片的研发需要具有多年经验的“老师傅”,需要拥有大量的技术积累及应 用设计经验,尤其是要理解在产品应用中的“陷阱”。而仅仅依靠芯片仿真软件,并不能提 高芯片设计的效率和成功率。

5.数年的研发周期,数万款模拟电源芯片,大量的研发投入和稀缺人才的需求,这些苛 刻的现状,带来的直接结果就是模拟电源芯片的研发摊销极大。如果将研发摊销计入芯片成 本,我们会发现大量模拟电源芯片型号是亏损的。

在电源功能和要求还比较简单的年代,模拟电源芯片设计技术已经相当成熟,并能基本 满足电源的设计要求。随后经过 50 年发展,当今的电源已经要求小型化、平台化、数字化、 智能化。传统模拟电源芯片已经无法满足这些需求,就因如此,数字电源芯片应运而生!

数字电源芯片的发展史 

数字电源芯片是什么?数字电源芯片就是用数字信号处理的方式进行电源的控制,这和 传统的用模拟器件进行电源控制有着本质的区别,也带来了革命性的优势。

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(数字电源芯片结构示意图) 图源自:水芯电子

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(模拟电源芯片结构示意图)图源自:水芯电子

 21 世纪数字化浪潮袭来,电源也迎来了数字化革新。起初数字电源分两个流派:硬件 型 ASIC(模拟电源数字化)和软件型 DSP(数字信号处理器)。硬件型 ASIC 的优势是使用简 单、功能强大,但是成本比模拟电源芯片高,尤其是仍然无法解决每颗芯片功能固定,需要 大量型号和反复开发的问题。这类公司以 primarion, zilker lab, intersil, iwatt, ADI, TI 等芯片公 司作为代表。但是这一类芯片发展并不好最终全部走向失败,而失败的最根本的原因就是没 有解决模拟电源芯片最核心的问题——芯片功能固定和差异化需求之间的矛盾。

软件型数字电源芯片代表的,是 TI 的 C2000 和 ST, Microchip, Renesas 的 MCU 等。这类 软件型数字电源芯片使用灵活,可任意定制电源控制功能。其强大的功能,几乎垄断了大功 率工业电源应用。可软件型数字电源芯片使用极其复杂,开发难度大、功耗大、体积大、成 本昂贵,已近无法应用于更加广泛的中小功率应用。

在这种背景下,中国公司苏州易能和成都水芯率先在国际上提出了可重构数字电源芯片 架构,彻底解决了模拟电源芯片固化的缺陷和传统数字电源芯片的缺陷,使得数字电源芯片全面替代模拟电源芯片成为可能。

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图源自:水芯电子

中国数字电源芯片开端与发展

2011 年,成都水芯电子(以下简称水芯)创始人吴钰淳提出了可重构数字电源芯片概 念,强调了数字电源芯片最大的优势——可重构。目前可重构数字电源芯片技术已经实现大 规模量产和商业模式验证,其最终目标是实现模拟电源芯片全面数字化、智能化和平台化。

可重构数字电源芯片的核心优势是利用软件定义电源芯片,用少量型号实现客户千千万 万种定制化需求,而不用反复芯片研发、流片。与传统的软件型数字电源芯片不同的是该芯 片成本低,甚至将比传统模拟电源芯片更便宜。同时可重构数字电源芯片是为电源设计专门 定制的控制器,而不是通用 DSP(数字信号处理器),因此使用更加简单、功能强大、功耗 低、体积小。

目前市场上,除了大功率电源依靠数字控制外,大多都是模拟控制。这是因为许多模拟 电源系统经过了多年的检验,可靠性很高。但随着电源系统的性能、可靠性、稳定性、体积、 智能化和定制化程度不断提高,数字控制已经成为电源行业的强烈需求。

2011 年,水芯创始人吴钰淳正式在国内开启了可重构数字电源芯片时代,强调了数字 电源芯片最大的优势——可重构。这一概念的提出,在中国市场上掀起了波澜。在经历了近 10 年的不断探索精进,成都水芯电子正式成立,这也是国内唯一一家专注于可重构数字电源的芯片公司。

成都水芯介绍及核心技术优势

成都水芯电子创始人吴钰淳先生毕业于清华大学微电子研究所,曾在模拟芯片泰斗 ADI 负责数字电源芯片 ADP1043 研发工作。该芯片也获得了 EDN 全球电源芯片创新第一名。回 国后,吴钰淳先生创办了中国第一个数字电源芯片公司——苏州易能微电子科技有限公司, 致力投入于研究出中国自己的数字电源芯片。

2014 年,易能公司量产了中国第一颗可重构数字电源 SOC 芯片 EDP2036;第一颗电源 SOC 芯片。这些芯片的诞生开启了中国电源芯片领域的一场技术革命。时至几年后,国内才 出现了大量“电源 SOC”公司或“MCU+电源芯片”公司。作为半数字化电源芯片的“电源 SOC 芯片”公司,其优点是实现了芯片在特定领域中可以进行功能定制,但仍然无法改变电 源控制功能这一核心问题,实现形式仅是 MCU+模拟电源芯片的结合。在快充领域,目前市 场也几乎全部是电源 SOC 芯片作为主要形式,传统的模拟电源芯片已经很难再有竞争力。

2015 年易能公司凭借可重构数字电源芯片获得中国创新创业大赛(简称“国赛”)的电 子信息行业全国冠军。2016 年易能公司在业界率先研发了十几个型号全系列快充芯片,甚 至包括 100W 升降压快充 SOC 芯片。其芯片性能直接超越了包括 TI 在内的各大芯片公司, 技术非常超前。直到 5 年后,国内才出现第二家能设计该功能芯片的公司。而易能率先研发 的此系列芯片,也成为了后来各快充芯片公司研发的原型样本。可世事多变,因为一些原因, 易能公司遗憾中止经营。经过不断的总结与再积累,2020 年成都水芯电子公司涅槃重生, 蓄势启航!

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图源自:水芯电子

2021 年,水芯研发出了全新的可重构数字电源芯片,本次产品再次拔高了快充行业的 技术高度。并且已有多个行业龙头客户在产品的应用上,率先采用了水芯的可重构数字电源 芯片。产品测试生产面世后,已得到了非常不错的市场口碑。2022 年初,水芯收获了数千 万天使轮投资,凭借其超前高效的研发速度,现已将高端消费类、工业类等领域中卡脖子的 芯片,陆续研发量产出来,并迅速获得多家头部客户的青睐。 传统数字电源芯片的应用领域主要在大功率电源,例如 CPU 电源、光伏逆变、汽车充 电桩、OBC、通信电源、服务器电源、工业电源等。而现如今,数字电源的触角已经延伸到 家电、消费类电子等。据悉,应市场需求变化,华为公司还专门成立了数字能源公司。在产 品研发上,已将全部电源应用的板块开始数字化。甚至连消费类领域的快充、便携式储能等, 也开始全面数字化。 

目前,作为快充领域的龙头企业深圳倍思科技已和水芯达成战略合作,目标是实现全部 快充产品的数字化。而快充充电器 AC/DC(交流转直流)控制芯片也开始数字化趋势。可以 预见未来十年模拟电源芯片将实现全面数字化,甚至包括手机、笔电、小家电、电子烟等 等各种消费类领域电源芯片都将数字化。不论工业类客户还是消费类客户,选择数字电源芯 片的核心逻辑都是相似的,数字电源芯片其独有的、强大的性能优势,实现了电源设计的差 异化、平台化、智能化,有效的提高电源研发的效率。而水芯电子也在努力为电源芯片全面 数字化这一历史进程而努力奋斗。

消费类客户需要产品差异化来获得更高毛利,可模拟电源芯片属于通用器件,无法保证客户的设计不被抄袭。水芯其核心研发产品——可重构数字电源芯片,正好可以帮助消费类 客户快速定制出需要的电源芯片,很好的保护客户的知识产权,并缩短产品上市时间。可重 构数字电源芯片是系统级芯片,可以实现模拟电源芯片无法实现的系统效率、温度、体积和 成本。

快充行业龙头企业深圳倍思研发副总裁陈龙扣认为:“倍思作为快充行业的技术领导企 业,将数字电源芯片技术作为未来公司的战略技术方向。水芯是倍思数字电源芯片技术战略 合作的供应商。水芯在数字电源芯片十年磨一剑的深厚技术沉淀给我们带来了前所未有的快 速电源芯片定制的能力,从而我们可以快速设计出与众不同的高品质产品,更好满足客户差 异化需求。这是传统模拟电源芯片所无法比拟的。我们希望水芯的可重构数字电源芯片技术 将在未来快速应用在各种消费类和工业类市场,给行业带来全新的价值。” 

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图源自:水芯电子

市场需求日新月异,而对于像汽车、通信、服务器、工业、新能源等高端领域,几乎全 部被国外芯片公司垄断,尤其是在大功率数字电源芯片的研发生产上,更是最为稀缺的。水 芯可重构数字电源芯片不仅可以替代国外的数字电源芯片,而且使用更加简便,比模拟电源 芯片研发效率提高成百上千倍,功能更加强大,成本更优。

从功率上看,100W 以上电源用数字控制有明显优势;30-100W 以内数字电源比模拟电 源集成度更高,功能更强大,一致性更强,灵活度更高,型号更少,性价比更高;30W 以 内电源芯片多集成 MOS,而数字电源最大的优势是成本更低,型号更少,灵活度更高,抗 干扰能力更强,一致性更好。

可以预测,就在未来十年内,模拟电源芯片将被大规模数字化!

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图源自:水芯电子

成都水芯数字电源芯片介绍

国内数字电源芯片领域的代表企业——成都水芯电子,其发展理念与技术核心都是数字 电源芯片业内的独立担当。不同于传统的软件型和硬件型数字电源芯片,成都水芯提出的可 重构数字电源芯片在技术上结合了二者的优势,弱化其劣势。成本更低、使用方便、功耗小、 集成度更高。

成都水芯现已面世的产品中,以快充产品线为例,在单芯片已实现了十余种快充的应用, 并且已全系列产品达到 PD3.1(最新的 PD 快充协议)的快充应用。此技术应用在目前行业 内,尚无其他芯片公司能实现 PD3.1 芯片的量产,更不可能覆盖十几个快充应用领域。水芯 研发的可重构数字电源芯片,在芯片效率、集成度、成本、功能等核心技术上,都已经遥遥 领先于市面上所有快充芯片公司。

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图源自:水芯电子

同时,成都水芯生产的此系列芯片应用也十分广泛,小家电、电动工具、笔记本、电子 烟、工业电源等都可以完全适用,这更能很好的体现出可重构数字电源芯片的特点和优势。 可重构数字电源芯片以强大优势,将大规模应用于以快充为代表的高端消费类电子领域, 快充行业的市场格局也将发生本质的改变。

在工业类领域的电源芯片研发中,水芯率先设计完成了 CPU 电源芯片,此产品在 2022 年内将可完全替代 TI 公司著名的 C2000 系列产品。这也是解决了中国汽车、工业、通信、 服务器、新能源等领域的卡脖子芯片,其意义非常重大。

国产芯片的崛起之路任重道远,却未来可期。而成都水芯电子研发的可重构数字电源芯 片是否能打破国外芯片公司的垄断格局,实现模拟电源芯片全面数字化,实现中国电源芯片 换道超车,让我们拭目以待!

本文转载自水芯电子,*图源来源丨水芯电子

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