“數(shù)字電源”概念的科普及發(fā)展

僅僅還是幾年前，“數(shù)字電源”還只是一個概念，僅有一些做了長期評估的原型，但很少有實際應用。而到2016年，我們看到數(shù)字電源已經(jīng)成為高耗能應景場景如數(shù)據(jù)中心的標配了，如果沒有數(shù)字電源，鑒于目前可用的空間、效率要求和熱約束以及這些設施的其他復雜需求，要想以不同直流電路提供數(shù)百安培的電量是非常困難的。

數(shù)字電源在高耗能應用中大量普及有以下幾個原因：

1、以較低的運營成本便可以收獲高效率；熱消耗低；更容易滿足環(huán)保方面的監(jiān)管要求。

2、它們可以滿足處理器和FPGA具有挑戰(zhàn)性及復雜的技術要求。

3、在運行期間，其靈活性高可以處理復雜的加電及省電測序場景。

通常，電源設計師（及許多用戶）非常謹慎，這是他們在處理高電流、電壓和功率時所必需的，否則后果便是設備故障和人員安全問題。謹慎的用戶傾向于有長期使用記錄且使用周期跨十年、二十年甚至更久的可行產(chǎn)品，他們不希望僅僅只是出于“科技前沿”的拉風噱頭便跟風訂購。

出于這些及其他原因，早期有一些人不愿意接受基于固件的方法，但目前這種情況已經(jīng)改變。由于高端數(shù)字電源的跟蹤記錄有可靠的數(shù)據(jù)做后盾，所以其他應用領域如工業(yè)系統(tǒng)，在更低的層次也可受益。獲得的優(yōu)勢包括，功率從低負載到滿載，效率大為改善，這就節(jié)省了能源，減少了組件的熱應力，簡化了冷卻且增加了MTBF（平均故障間隔時間）。

科普一下“數(shù)字電源”的概念

其實電源或轉(zhuǎn)換器的目標很簡單：在輸入電壓或負載條件發(fā)生變化的情況下，以期望的電壓值，提供穩(wěn)定、受控的直流輸出。這需要在DC / DC轉(zhuǎn)換器中進行某種形式的閉環(huán)控制，基于實際輸出電壓的測量，與設定值進行比較，并實現(xiàn)基于反饋的校正，以迫使輸出返回到設定值并保存。

This regulation has traditionally been implemented using a closed-loop negative-feedback with analog circuitry in a switching regulator， Figure 1. （The alternative， a low-dropout regulator， or LDO， is also an option， but only viable at fairly low power levels.） There are many standard architectures for these switchers， with a long list of additional enhancements to increase efficiency across the entire load range， boost performance and ensure consistent operation. These enhancements can become quite complicated and clever， and have impressive names such as SEPIC （single-ended primary-inductor converter）。

這個規(guī)則傳統(tǒng)上通過使用閉環(huán)負反饋來實現(xiàn)，并在開關調(diào)節(jié)器中使用模擬電路，見圖1 （低壓差穩(wěn)壓器LDO也是一個選擇，但只有低功率時才可行）。這些轉(zhuǎn)換器有許多標準的架構，有一系列附加增強項，可以在整個負載范圍內(nèi)提升效率、提高性能并確保一致性操作。這些增強項十分復雜和靈活，且具有一個讓人印象深刻的名字，如SEPIC（單端主電感轉(zhuǎn)換器）。

圖1：標準的模擬功率轉(zhuǎn)換器使用了眾所周知的閉環(huán)拓撲，即使輸入和負載有變化，也可以維持規(guī)定的直流輸出。

這些變量可能相當復雜，但它們都有一個缺點：缺乏操作參數(shù)實時設置的靈活性。例如，Intel/XilinxVR13標準要求將額定輸出電壓從1.2V直接變更為0.9V，再回到“飛速寫入”，而這是完全模擬供電無法完成的。這種自適應的電壓縮放（AVS），根據(jù)處理器的時鐘速度和工作負載，調(diào)整供電輸出電壓以滿足處理器的最低要求，同時自動在處理器內(nèi)補償工藝和溫度變化。要做到這一切，需要一個完全可編程的、復雜的、固件控制的轉(zhuǎn)換器。

通過一個I / O端口和數(shù)字參數(shù)設置電路，便可以實現(xiàn)一些所需的更改。這就產(chǎn)生了一種混合供電，其具有內(nèi)部模擬控制回路，但也有總體數(shù)字監(jiān)控和一些供應狀態(tài)報告，見圖2。

圖2：增強的模擬控制器保留了基本的閉環(huán)設計，但允許通過數(shù)字端口（如PMBus、 I2C、SPI等）在外部控制下進行參數(shù)的數(shù)字設置。

全數(shù)字電源使用的是截然不同的內(nèi)部架構。數(shù)字電源使用模擬/數(shù)字（A / D）轉(zhuǎn)換器對關鍵的內(nèi)部電壓和電流進行數(shù)字化處理，而不是使用模擬電路甚至是數(shù)字監(jiān)管來實現(xiàn)控制回路。轉(zhuǎn)換后的值被專用的嵌入式處理器（DSP、FPGA）使用，該處理器執(zhí)行封閉循環(huán)算法的代碼。最后，通過數(shù)字/模擬（D / A）轉(zhuǎn)換器，算法的結果將轉(zhuǎn)換回模擬信號，并按需調(diào)整電壓和電流，見圖3。

圖3：全數(shù)字控制方法可以即刻對關鍵電壓和電流進行數(shù)字化處理，然后使用固件驅(qū)動的處理器和算法來啟動控制動作，這樣就可以實現(xiàn)復雜的控制策略，以及按環(huán)境所需進行動態(tài)調(diào)整。

該控制算法基于固件，而不是硬件模擬電路，因此控制策略相當復雜。更好的改進方法是，單個處理器（如果足夠強大的話）可以控制兩個或多個獨立的輸出線路，并協(xié)調(diào)這些線路，以管理線路之間的輸出級別、坡度和相對功率等因素。它還可以提供關于供應狀態(tài)、條件和更改信息的詳細報告和歷史數(shù)據(jù)，因此故障可以被預見，而不是在發(fā)生之后才進行報告。

這里有兩個案例將展示，數(shù)字設備如何以比數(shù)據(jù)中心更低的電流和電力需求來服務應用程序。來自CUI（圖4）的NDM2Z-50是一種全數(shù)字DC / DC負載點（PoL）轉(zhuǎn)換器，它的輸入范圍為4.5V到14V，可編程輸出為0.6V到3.3V，電流高達50A（最大值為165 W）。它包括一個SMBus接口和可兼容PMBus?。盡管具有一個小的程序包（30.85 x 20.0 x8.2mm的橫向安裝版），它還提供了諸如電壓跟蹤、電壓邊緣、主動電流共享、參數(shù)捕獲、電壓/電流/溫度監(jiān)控以及可編程軟啟動和軟停止等特性。它的數(shù)據(jù)表（參考文件1）包括各種顯示靜態(tài)和動態(tài)性能的圖表。

圖4:CUI全數(shù)字DC / DC PoL轉(zhuǎn)換器將提供高達50A的數(shù)據(jù)，且它也是效率更高或更低、靈活、可兼容且功能豐富的DC / DC轉(zhuǎn)換器的一部分，而該轉(zhuǎn)換器可以滿足更大的應用需求。（圖片來源：CUI Inc 。）

總結

目前，許多電子系統(tǒng)的供電需求日益增加，即便是先進的模擬電源也不能滿足需求，而是需要一種新的電源架構來控制。全數(shù)字電源因其靈活性、性能和適應性，將具有重大而切實的效益。雖然在概念和執(zhí)行方面與傳統(tǒng)基于模擬的供電截然不同，但數(shù)字電源設計日益成熟的，并正迅速擴展至其他應用。