什么是數(shù)字電源 有什么特點及好處

就在不久之前，“數(shù)字電源”主要還是一個很少有商業(yè)裝置的概念。時代變了，這些電源現(xiàn)在已成為標準電源，并廣泛用于數(shù)據(jù)中心等電力密集型應用。它們的特性使得在狹小空間內提供數(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。

電源設計人員通常是一個謹慎的群體，因為他們在處理高電流、電壓和功率水平以及電源故障或故障對設備和人員造成的后果時必須如此。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)勢包括提高從低負載到滿負載的效率、減少對組件的壓力、簡化冷卻以及增加平均故障間隔時間。它們還通過實時報告其狀態(tài)、趨勢和操作以及它們的適應和調整能力，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)壓器的主要目標是在輸入電壓或負載條件發(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 轉換器內進行某種形式的閉環(huán)控制，基于實際輸出電壓的測量、與設定點值的比較，并實施基于反饋的校正以強制輸出回到設定點并保持在那里。 每個供應設計都涉及權衡和優(yōu)先事項；例如，電源是否應該非常有效（》90%）但僅在較窄的負載范圍內，還是應該效率較低（60-80%）但在較寬的范圍內？

模擬電源：電源調節(jié)傳統(tǒng)上是使用閉環(huán)負反饋和開關穩(wěn)壓器中的模擬電路來實現(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載。）這些開關有許多標準、成熟的架構，還有一長串額外的增強功能可以增加在整個負載范圍內提高效率，提高性能并確保一致的運行。這些增強功能可能變得非常復雜和巧妙，并且具有令人印象深刻的名稱，例如 SEPIC（單端初級電感轉換器）。它們使用某種形式的脈寬調制 （PWM），其中控制器調制占空比以將輸出保持在所需的直流電壓，盡管線路/負載發(fā)生變化。輸出濾波器（未顯示）對脈沖斬波輸出進行平滑處理，以產生幾乎無紋波的輸出。

盡管輸入和負載發(fā)生變化，標準模擬電源轉換器使用眾所周知的閉環(huán)拓撲來保持穩(wěn)定的直流輸出

這些開關電源拓撲可以變得相當高效和復雜，但都有一個缺點：它們缺乏實時設置操作參數(shù)的靈活性。例如，英特爾/賽靈思 VR13 標準要求電源實現(xiàn)自適應電壓縮放 （AVS），根據(jù)處理器時鐘速度和負載動態(tài)地將其輸出電壓從 1.2 V 調整到 0.9 V，同時還補償處理器內的工藝和溫度變化。

混合模擬/數(shù)字電源：全模擬電源無法做到這一點。解決方案是像以前一樣使用具有內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置一些環(huán)路參數(shù)以及報告電源狀態(tài)來進行數(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，例如目標輸出電壓、環(huán)路時間常數(shù)、帶寬和設定點。

增強型模擬控制器設計保留了基本的閉環(huán)設計，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)進行數(shù)字設置

全數(shù)字電源：全數(shù)字電源使用完全不同的內部架構。數(shù)字電源不是使用模擬電路實現(xiàn)控制回路——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） 轉換器以數(shù)十千樣本/秒的速度將關鍵的內部電壓和電流數(shù)字化。轉換后的值由執(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） 轉換器轉換回模擬信號，以根據(jù)需要調整 PWM 電壓和電流，圖 3。這一切都是在實時、連續(xù)的基礎上完成的。

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

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復雜和精密。此外，更強大的處理器可以管理兩個或更多獨立的輸出軌，并協(xié)調這些軌以控制它們的輸出電平、斜坡速率和相關的電源開/關時序，所有這些都不需要單獨的電源管理 IC。它可以在負載曲線的不同段調用不同的控制算法，從而動態(tài)調整自身以獲得最佳性能。最后，它可以提供有關供應狀態(tài)、條件和變化的詳細報告和歷史數(shù)據(jù)，因此可以預測可能的故障，而不僅僅是在故障發(fā)生后才報告。

數(shù)字電源不再局限于兩位數(shù)范圍內的輸出電流；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工作，并在高達 6 A 的情況下提供 0.6 V 和 3.6 V 之間的電壓。它具有內置 PID 控制回路和自動- 補償算法和 PMBus 接口，全部采用耐熱增強、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，通過在內部處理器上執(zhí)行的嵌入式固件實現(xiàn)所需的閉環(huán)調節(jié)；它的占地面積小于 200 mm 2。

概括

即使是最先進的模擬電源也無法滿足當今許多電子系統(tǒng)的電源需求，而是需要一種新形式的電源架構進行控制。全數(shù)字電源實施具有靈活性、性能和適應性，具有顯著而切實的好處。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)字設計已經(jīng)成熟，并且正在擴展到更廣泛的應用范圍和更低的功耗收視率。

審核編輯：郭婷