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                                                      模拟电源芯片的数字化浪潮袭来

                                                      作者:充电头网时间:2022-11-04来源:搜狐科技收藏

                                                      前言

                                                      追溯电源的发展历史,至今已有70余年。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。

                                                      本文引用地址:http://www.sylvia-camelo.com/article/202211/440040.htm

                                                      但最初的电源芯片是模拟形式实现的,可以实现最简单的升、降压功能。

                                                      芯片是什么?简单的来说,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。


                                                      但随着电源行业的进步,芯片也出现了一些不足。

                                                      第一,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。

                                                      第二,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。

                                                      第三,一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。

                                                      第四,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。

                                                      第五,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余年发展,当今的电源已经要求小型化、平台化、数字化、智能化。

                                                      但传统模拟电源芯片已经无法满足这些需求,随之而来的结果就是:模拟芯片型号众多,但仍远不能满足电源行业的需求;芯片设计工程师奇缺,工资大幅上涨,研发摊销远超芯片物理成本,如果将研发摊销算入成本,大部分模拟电源芯片是亏损状态;电源产品迭代速度缓慢且低效,且很难做知识产权保护;模拟电源芯片设计技术遇到瓶颈,内卷加剧,市场集中度低。

                                                      此时,芯片应运而生!

                                                      芯片的发展史

                                                      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。


                                                      (模拟电源芯片结构示意图)


                                                      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。


                                                      (数字电源芯片结构示意图)


                                                      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。

                                                      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,这也是国内少数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,吴钰淳先生率先在国内创办了数字电源芯片公司——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,易能公司率先在国内量产了可重构数字电源SOC芯片 EDP2036,引发了中国电源芯片领域的技术革新。其他公司推出半数字化电源芯片,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,包括100W升降压快充SOC芯片,性能相比同类产品具备优势。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!



                                                      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,部分公司在产品研发上,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。”



                                                      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更高,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!

                                                      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。实现成本更低、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 PD 3.1 的快充应用。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,具备强大竞争力。



                                                      同时,成都水芯生产的快充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年内实现对TI公司的C2000系列产品的替代。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。

                                                      充电头网总结

                                                      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!



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