數(shù)字電源的基本概念

不久前，“數(shù)字電源”主要是一個很少有商業(yè)裝置的概念。時代變了，這些電源現(xiàn)已成為標(biāo)準(zhǔn)電源，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的空間內(nèi)提供數(shù)百安培的直流電源軌成為可能，具有高效率，并受到監(jiān)控和管理性能。

電源設(shè)計人員通常是一個謹(jǐn)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(shè)備和人員的影響時必須謹(jǐn)慎。雖然早期有些人不愿意接受基于固件的數(shù)字電源方法，但隨著他們證明自己，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、減少組件上的應(yīng)力、簡化冷卻以及增加平均故障間隔時間。他們還通過實時報告其狀態(tài)、趨勢和操作以及適應(yīng)和調(diào)整能力來帶來系統(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，基于實際輸出電壓的測量，與設(shè)定值的比較，并實施基于反饋的校正，以強制輸出回到設(shè)定點并保持在那里。每個供應(yīng)設(shè)計都涉及權(quán)衡和優(yōu)先級;例如，電源應(yīng)該非常高效（》90%）但僅在較窄的負(fù)載范圍內(nèi)，還是應(yīng)該具有較低的效率（60-80%）但在更寬的范圍內(nèi)？

模擬電源：傳統(tǒng)上，電源調(diào)節(jié)是通過開關(guān)穩(wěn)壓器中的模擬電路的閉環(huán)負(fù)反饋來實現(xiàn)的，圖1。（另一種選擇是低壓差穩(wěn)壓器（LDO），但主要用于幾安培以下的負(fù)載。這些切換器有許多標(biāo)準(zhǔn)的成熟架構(gòu)，并具有一長串額外的增強功能，可提高整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率，提高性能并確保一致的操作。這些增強功能可能會變得非常復(fù)雜和聰明，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)制占空比以在線路/負(fù)載變化的情況下將輸出保持在所需的直流電壓。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。

標(biāo)準(zhǔn)模擬功率轉(zhuǎn)換器使用眾所周知的閉環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即使在輸入和負(fù)載發(fā)生變化的情況下也能保持穩(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，但都有一個缺點：它們?nèi)狈崟r設(shè)置操作參數(shù)的靈活性。例如，英特爾/Xilinx VR13 標(biāo)準(zhǔn)要求電源實現(xiàn)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) （AVS），根據(jù)處理器時鐘速度和負(fù)載在 1.2 至 0.9 V 范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整輸出電壓，同時補償處理器內(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。解決方案是像以前一樣使用混合電源方法和內(nèi)部固定功能模擬控制環(huán)路，這也允許通過設(shè)置一些環(huán)路參數(shù)以及報告電源狀態(tài)來進(jìn)行數(shù)字監(jiān)控，圖2。內(nèi)核控制算法仍由硬件建立，但其某些操作參數(shù)可以更改，例如目標(biāo)輸出電壓、環(huán)路時間常數(shù)、帶寬和設(shè)定值。

增強型模擬控制器設(shè)計保留了基本的閉環(huán)設(shè)計，但允許通過數(shù)字端口（如PMBus，I）在外部控制下對某些參數(shù)進(jìn)行數(shù)字設(shè)置2C、SPI 或其他。

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)。數(shù)字電源不是使用模擬電路實現(xiàn)控制環(huán)路（即使有一些數(shù)字監(jiān)控），而是依靠模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器以數(shù)十千采樣/秒的速度對關(guān)鍵內(nèi)部電壓和電流進(jìn)行數(shù)字化處理。轉(zhuǎn)換后的值由專用的嵌入式處理器（通常是FPGA）使用，該處理器執(zhí)行閉環(huán)算法的代碼。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，如圖3所示。這一切都是實時、連續(xù)完成的。

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，因此可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略，并根據(jù)情況需要動態(tài)調(diào)整這些策略。

由于控制算法是基于固件而不是硬連線模擬電路的，因此控制策略可能相當(dāng)復(fù)雜和復(fù)雜。此外，功能更強大的處理器可以管理兩個或多個獨立的輸出軌，并協(xié)調(diào)這些軌以控制其輸出電平、斜坡速率和相對電源開/關(guān)時序，所有這些都不需要單獨的電源管理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)生后報告。

數(shù)字電源不再局限于兩位數(shù)范圍內(nèi)的輸出電流;它已下降到低得多的輸出水平。例如，Renasas/Intersil ZL9006M DC/DC 電源模塊（圖 4）可在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，并在高達(dá) 6 A 的電流下提供 0.6 V 至 3.6 V 的電壓。它具有內(nèi)置的PID控制環(huán)路和自動補償算法，以及PMBus接口，全部采用熱增強型緊湊型（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，可通過在內(nèi)部處理器上執(zhí)行的嵌入式固件實現(xiàn)所需的閉環(huán)調(diào)節(jié);占地面積小于 200 mm2.

總結(jié)

當(dāng)今許多電子系統(tǒng)的電源需求甚至無法通過領(lǐng)先的模擬電源來滿足，而是需要一種新型的電源架構(gòu)進(jìn)行控制。全數(shù)字電源實施具有顯著而切實的優(yōu)勢，具有靈活性、性能和適應(yīng)性。它在概念和執(zhí)行上與傳統(tǒng)的基于模擬的電源非常不同 - 在可預(yù)見的未來，后者仍然是最低功率水平下最可行的解決方案 - 但數(shù)字設(shè)計已經(jīng)成熟，并且正在擴展到更廣泛的應(yīng)用和更低的額定功率。

審核編輯：郭婷