通過(guò)改進(jìn)數(shù)字電源提升云端設(shè)備節(jié)能效率

在節(jié)能趨勢(shì)催化下，數(shù)位電源已打進(jìn)PC和通訊領(lǐng)域等主流市場(chǎng)，并逐漸滲透至其他電子領(lǐng)域。由于數(shù)位電源可減少周邊元件數(shù)量，并擁有更優(yōu)異的即時(shí)控制與軟體配置功能，將逐漸接替類比電源的地位，快速擴(kuò)大市場(chǎng)滲透率。

關(guān)于交換式電源設(shè)計(jì)方案，數(shù)位電源已成熱門話題，然而，一般工程師直覺反應(yīng)就是為何要跳脫熟悉的類比設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而追求數(shù)位電源。主要塬因即為市場(chǎng)須要較傳統(tǒng)類比電源更高性能，且成本相去不遠(yuǎn)的新一代電源控制解決方案。

尤其在云端運(yùn)算(Cloud Computing)服務(wù)蓬勃發(fā)展之際，伺服器激增導(dǎo)致大量耗電，讓資料中心業(yè)者對(duì)設(shè)備節(jié)能要求更加嚴(yán)格;而用戶端設(shè)備也訴求長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)能力，促使電源設(shè)計(jì)架構(gòu)翻新。種種新的節(jié)能要求，無(wú)疑也為壯大數(shù)位電源設(shè)計(jì)助一臂之力。

數(shù)位電源定義分兩類

數(shù)位電源一般有兩種定義可循，首先是帶有數(shù)位介面的電源設(shè)計(jì)，例如電源管理匯流排(PMBus)和I2C的模擬電源解決方案。其中的數(shù)位介面功能因產(chǎn)業(yè)需求而異，從只報(bào)告基本的狀態(tài)監(jiān)測(cè)資料，包括電壓、電流和溫度等參數(shù)，到能夠改變類比調(diào)節(jié)器內(nèi)的功能。這類產(chǎn)品通常具有電壓模式、電流模式或其他模式的類比閉環(huán)功能。

至于第二種定義則屬于正統(tǒng)的純數(shù)位控制電源，其數(shù)位域中包含一種閉環(huán)功能，通過(guò)閉合環(huán)路，讓用戶幾乎能控制每一種有關(guān)電源調(diào)變的功能。設(shè)計(jì)數(shù)位電源的主要?jiǎng)訖C(jī)就是以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格實(shí)現(xiàn)更高的控制、效率和遙測(cè)水準(zhǔn);同時(shí)整合典型的模擬功能，進(jìn)一步縮小晶片尺寸和降低元件數(shù)量，促進(jìn)輕薄化電子設(shè)備的設(shè)計(jì)成形。

數(shù)字電源設(shè)計(jì)方式多樣

至于數(shù)位電源的設(shè)計(jì)方式，一般可分為叁類，包括第一種以數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心的方案，第二種采用現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)，以及第叁種以專用狀態(tài)機(jī)為主的設(shè)計(jì)形式。

通常系統(tǒng)功能要求愈復(fù)雜，采用DSP或MCU的可能性就愈高，而此類設(shè)計(jì)要求電源工程師能利用內(nèi)核編寫和編譯代碼，同時(shí)也要提升管理軟體品質(zhì)與安全問(wèn)題等，故高階交流對(duì)直流(AC-DC)電源通常采用DSP。至于以MCU構(gòu)成的類比模組來(lái)達(dá)成數(shù)位電源設(shè)計(jì)并不理想，雖同樣能提供很多功能，且比FPGA或狀態(tài)機(jī)提供的更多，但器件很少能達(dá)到最佳性能。儘管MCU很靈活，但并不常用于高性能系統(tǒng)。

與此同時(shí)，F(xiàn)PGA則很少用于數(shù)位電源，因其不一定具有合適的類比轉(zhuǎn)數(shù)位介面;另外，狀態(tài)機(jī)屬于專用器件，其邏輯閘數(shù)和成本最低。對(duì)于需要高靈活性的設(shè)計(jì)而言，工程團(tuán)隊(duì)須考慮、規(guī)定和實(shí)現(xiàn)各種特性，可與任何具有足夠特性的解決方案一樣靈活。

由于數(shù)位電源有各種不同的設(shè)計(jì)解決方案，且必須較傳統(tǒng)類比電源提供更多功能(表1)，故仍存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。首先須優(yōu)化基本的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器(DAC)模組，以及脈衝寬度調(diào)變(PWM)控制晶片等設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)最佳成本、尺寸和功率。通常，設(shè)計(jì)差異在于數(shù)位硅智財(cái) (IP)，用于與類比模組互動(dòng)的演算法，如效率改進(jìn)、環(huán)路回應(yīng)及準(zhǔn)確性增強(qiáng)等演算法等。

數(shù)位電源應(yīng)用范疇不斷擴(kuò)大

現(xiàn)階段數(shù)位電源亦已進(jìn)入PC和通訊設(shè)備等主流市場(chǎng)，并逐漸滲入其他電子領(lǐng)域。其與類比電源相比，不僅性能更高、功能也更加完整，導(dǎo)致很多使用者在低端業(yè)務(wù)領(lǐng)域開始采用成本最低的模擬數(shù)位電源，而在高端業(yè)務(wù)領(lǐng)域則采用純數(shù)位電源。未來(lái)，隨著數(shù)位電源的需求量成長(zhǎng)與開發(fā)成本的改善，也將逐漸向低端業(yè)務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)張，而模擬電源則無(wú)法升入高端業(yè)務(wù)領(lǐng)域，因其缺乏市場(chǎng)所需的功能。

以DC-DC電源設(shè)計(jì)為例，其為一種簡(jiǎn)單的降壓穩(wěn)壓器，用戶最關(guān)心的是電源轉(zhuǎn)換效率和遙測(cè)，以及對(duì)運(yùn)行和故障參數(shù)的控制，故可采用較簡(jiǎn)易的數(shù)位電源設(shè)計(jì)。至于AC-DC通常有多種拓?fù)?全橋、半橋、正激式和反激式)，并要求功率因數(shù)校正(PFC)功能，因此，就算設(shè)計(jì)成本較高，仍將利用最復(fù)雜的DSP 設(shè)計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)所需的靈活性。

此外，AC-DC市場(chǎng)有時(shí)會(huì)將控制器置于初級(jí)側(cè)(高壓側(cè))，有時(shí)又將其置于二級(jí)側(cè)，對(duì)AC-DC設(shè)計(jì)而言，因?yàn)橛卸喾N功率水準(zhǔn)和復(fù)雜度，故此類解決方案的數(shù)量不及成本較低的狀態(tài)機(jī)數(shù)位電源方案。

另一方面，由于云端設(shè)備永不斷線的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，導(dǎo)致對(duì)節(jié)能要求更加殷切，因此，數(shù)位電源未來(lái)將藉由動(dòng)態(tài)相位調(diào)整(Dynamic Phase Control， DPC)和可變驅(qū)動(dòng)電壓(Variable Gate Drive， VGD)等技術(shù)，促使設(shè)備在輕載或重載模式下，均可提升電源使用效率。

在動(dòng)態(tài)相數(shù)調(diào)整方面，藉由單一相位效率最佳化的設(shè)定，相位數(shù)的遞增或遞減將會(huì)隨著負(fù)載狀態(tài)的變動(dòng)而改變，同時(shí)比例-積分-微分 (Proportional-integral-differential， PID)控制也隨之自動(dòng)調(diào)整，如此一來(lái)，即可確保系統(tǒng)在各種負(fù)載狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

至于可變驅(qū)動(dòng)電壓部分，由于系統(tǒng)內(nèi)部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)的導(dǎo)通電阻，對(duì)設(shè)備重載狀態(tài)的電源效率影響甚鉅;而處于輕載狀態(tài)時(shí)，MOSFET的交換損耗也極為重要。因此，藉由偵測(cè)負(fù)載的變化來(lái)調(diào)整數(shù)位電源驅(qū)動(dòng)電壓的大小，將可有效提高整體系統(tǒng)效率。

搶進(jìn)高階伺服器/主機(jī)板　數(shù)位電源接替類比地位

為實(shí)現(xiàn)更多電源監(jiān)控與用電效率管理的價(jià)值，目前高階伺服器和主機(jī)板幾乎已全面導(dǎo)入數(shù)位電源，加速取代傳統(tǒng)類比設(shè)計(jì);未來(lái)，數(shù)位電源的市場(chǎng)發(fā)展更將如星火燎塬，切入各個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)。

當(dāng)數(shù)位電源需求量明顯成長(zhǎng)后，電源供應(yīng)商也將傾向提供一系列的整合設(shè)計(jì)方案，而非單一元件，因投資數(shù)位電源的使用者須針對(duì)低、中和高端系統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì);其次，他們也需要全套數(shù)位電源開發(fā)工具，包括硬體和圖形使用者介面(GUI)。最后，還須從一個(gè)供應(yīng)商獲得相關(guān)周邊元件，如MOSFET，才能創(chuàng)建完整解決方案。