什么是數(shù)字電源 基本概念概括

任何 AC/DC 或 DC/DC 電源或穩(wěn)壓器的主要目標(biāo)是在輸入電壓或負(fù)載條件發(fā)生變化的情況下提供穩(wěn)定的 DC 輸出電壓。

就在不久之前，“數(shù)字電源”主要還是一個(gè)很少有商業(yè)裝置的概念。時(shí)代變了，這些電源現(xiàn)在已成為標(biāo)準(zhǔn)電源，并廣泛用于數(shù)據(jù)中心等電力密集型應(yīng)用。它們的特性使得在狹小空間內(nèi)提供數(shù)百安培的直流電軌成為可能，具有高效率以及受監(jiān)控和管理的性能。

電源設(shè)計(jì)人員通常是一個(gè)謹(jǐn)慎的群體，因?yàn)樗麄冊谔幚砀唠娏?、電壓和功率水平以及電源故障或故障對設(shè)備和人員造成的后果時(shí)必須如此。雖然早期不太愿意采用基于固件的數(shù)字電源方法，但隨著他們證明了自己，情況已經(jīng)發(fā)生了變化。它們的熱優(yōu)勢包括提高從低負(fù)載到滿負(fù)載的效率、減少對組件的壓力、簡化冷卻以及增加平均故障間隔時(shí)間。它們還通過實(shí)時(shí)報(bào)告其狀態(tài)、趨勢和操作以及它們的適應(yīng)和調(diào)整能力，帶來系統(tǒng)級優(yōu)勢。

什么是數(shù)字電源？

任何 AC/DC 或 DC/DC 電源或穩(wěn)壓器的主要目標(biāo)是在輸入電壓或負(fù)載條件發(fā)生變化的情況下提供穩(wěn)定的 DC 輸出電壓。這樣做需要在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行某種形式的閉環(huán)控制，基于實(shí)際輸出電壓的測量、與設(shè)定點(diǎn)值的比較以及實(shí)施基于反饋的校正以強(qiáng)制輸出回到設(shè)定點(diǎn)并保持在那里。 每個(gè)供應(yīng)設(shè)計(jì)都涉及權(quán)衡和優(yōu)先事項(xiàng)；例如，電源是否應(yīng)該非常有效（》90%）但僅在較窄的負(fù)載范圍內(nèi)，還是應(yīng)該效率較低（60-80%）但在較寬的范圍內(nèi)？

模擬電源：電源調(diào)節(jié)傳統(tǒng)上是使用閉環(huán)負(fù)反饋和開關(guān)穩(wěn)壓器中的模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，圖 1. （替代方案，低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 也是一種選擇，但主要適用于幾安培以下的負(fù)載。）這些切換器有許多標(biāo)準(zhǔn)、成熟的架構(gòu)，還有一長串額外的增強(qiáng)功能可以增加在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提高效率，提高性能并確保一致的運(yùn)行。這些增強(qiáng)功能可能變得非常復(fù)雜和巧妙，并且具有令人印象深刻的名稱，例如 SEPIC（單端初級電感轉(zhuǎn)換器）。它們使用某種形式的脈寬調(diào)制 （PWM），其中控制器調(diào)制占空比以將輸出保持在所需的直流電壓，盡管線路/負(fù)載發(fā)生變化。輸出濾波器（未顯示）對脈沖斬波輸出進(jìn)行平滑處理，以產(chǎn)生幾乎無紋波的輸出。

盡管輸入和負(fù)載發(fā)生變化，標(biāo)準(zhǔn)模擬電源轉(zhuǎn)換器使用眾所周知的閉環(huán)拓?fù)鋪肀３址€(wěn)定的直流輸出。

這些開關(guān)電源拓?fù)淇梢宰兊孟喈?dāng)高效和復(fù)雜，但都有一個(gè)缺點(diǎn)：它們?nèi)狈?shí)時(shí)設(shè)置操作參數(shù)的靈活性。例如，英特爾/賽靈思 VR13 標(biāo)準(zhǔn)要求電源實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓縮放 （AVS），根據(jù)處理器時(shí)鐘速度和負(fù)載動態(tài)地將其輸出電壓從 1.2 V 調(diào)整到 0.9 V，同時(shí)還補(bǔ)償處理器內(nèi)的工藝和溫度變化。

混合模擬/數(shù)字電源：全模擬電源無法做到這一點(diǎn)。解決方案是像以前一樣使用具有內(nèi)部固定功能模擬控制環(huán)路的混合電源方法，該方法還允許通過設(shè)置一些環(huán)路參數(shù)以及報(bào)告電源狀態(tài)來進(jìn)行數(shù)字監(jiān)控，圖 2。核心控制算法仍然由硬件建立，但它的一些操作參數(shù)可以改變，例如目標(biāo)輸出電壓、環(huán)路時(shí)間常數(shù)、帶寬和設(shè)定點(diǎn)。

增強(qiáng)型模擬控制器設(shè)計(jì)保留了基本的閉環(huán)設(shè)計(jì)，但允許在外部控制下通過 PMBus、I 2 C、SPI 等數(shù)字端口對某些參數(shù)進(jìn)行數(shù)字設(shè)置。

全數(shù)字電源：全數(shù)字電源使用完全不同的內(nèi)部架構(gòu)。與使用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制回路不同——即使有一些數(shù)字監(jiān)督——數(shù)字電源依賴于模擬/數(shù)字 （A/D） 轉(zhuǎn)換器以數(shù)十千樣本/秒的速度將關(guān)鍵的內(nèi)部電壓和電流數(shù)字化。轉(zhuǎn)換后的值由執(zhí)行閉環(huán)算法代碼的專用嵌入式處理器（通常是 FPGA）使用。最后，算法的“決策”通過數(shù)字/模擬 （D/A） 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換回模擬信號，以根據(jù)需要調(diào)整 PWM 電壓和電流，圖 3。這一切都是在實(shí)時(shí)、連續(xù)的基礎(chǔ)上完成的。

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全數(shù)字控制方法立即將關(guān)鍵電壓和電流數(shù)字化，然后使用固件驅(qū)動的處理器和算法來啟動控制動作，因此可以實(shí)施復(fù)雜的控制策略以及根據(jù)環(huán)境需要動態(tài)調(diào)整這些策略。

由于控制算法是基于固件的而不是硬連線的模擬電路，因此控制策略可能相當(dāng)復(fù)雜和精密。此外，更強(qiáng)大的處理器可以管理兩個(gè)或更多獨(dú)立的輸出軌，并協(xié)調(diào)這些軌以控制它們的輸出電平、斜坡速率和相關(guān)的電源開/關(guān)時(shí)序，所有這些都不需要單獨(dú)的電源管理 IC。它可以在負(fù)載曲線的不同段調(diào)用不同的控制算法，從而動態(tài)調(diào)整自身以獲得最佳性能。最后，它可以提供有關(guān)供應(yīng)狀態(tài)、條件和變化的詳細(xì)報(bào)告和歷史數(shù)據(jù)，因此可以預(yù)測可能的故障，而不僅僅是在故障發(fā)生后才報(bào)告。

數(shù)字電源不再局限于兩位數(shù)范圍內(nèi)的輸出電流；它已經(jīng)遷移到低得多的輸出水平。例如，Renasas/Intersil ZL9006M DC/DC 電源模塊（圖 4）在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并在高達(dá) 6 A 的情況下提供 0.6 V 和 3.6 V 之間的電壓。它具有內(nèi)置 PID 控制回路和自動- 補(bǔ)償算法和 PMBus 接口，全部采用耐熱增強(qiáng)、緊湊 （17.2 mm × 11.45 mm）、扁平 （2.5 mm） 封裝，無需外部電感器。

Renasas/Intersil ZL9006M 是一款 6A、PMBus 兼容的 DC/DC 電源模塊，通過在內(nèi)部處理器上執(zhí)行的嵌入式固件實(shí)現(xiàn)所需的閉環(huán)調(diào)節(jié)；它的占地面積小于 200 mm 2。

概括

即使是最先進(jìn)的模擬電源也無法滿足當(dāng)今許多電子系統(tǒng)的電源需求，而是需要一種新形式的電源架構(gòu)進(jìn)行控制。全數(shù)字電源實(shí)施具有靈活性、性能和適應(yīng)性，具有顯著而切實(shí)的好處。它在概念和執(zhí)行上與傳統(tǒng)的基于模擬的電源有很大不同——在可預(yù)見的未來，它仍然是最低功率水平下最可行的解決方案——但數(shù)字設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟，并且正在擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用范圍和更低的功耗收視率。

審核編輯：郭婷