通過改進數(shù)字電源提升云端設(shè)備節(jié)能效率

在節(jié)能趨勢催化下，數(shù)位電源已打進PC和通訊領(lǐng)域等主流市場，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)異的即時控制與軟體配置功能，將逐漸接替類比電源的地位，快速擴大市場滲透率。

關(guān)于交換式電源設(shè)計方案，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，轉(zhuǎn)而追求數(shù)位電源。主要塬因即為市場須要較傳統(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)者對設(shè)備節(jié)能要求更加嚴(yán)格;而用戶端設(shè)備也訴求長時間待機能力，促使電源設(shè)計架構(gòu)翻新。種種新的節(jié)能要求，無疑也為壯大數(shù)位電源設(shè)計助一臂之力。

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，例如電源管理R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，從只報告基本的狀態(tài)監(jiān)測資料，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)計數(shù)位電源的主要動機就是以具有競爭力的價格實現(xiàn)更高的控制、效率和遙測水;同時整合典型的模擬功能，進一步縮小晶片尺寸和降低元件數(shù)量，促進輕薄化電子設(shè)備的設(shè)計成形。

數(shù)字電源設(shè)計方式多樣

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

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)計要求電源工程師能利用內(nèi)核編寫和編譯代碼，同時也要提升管理軟體品質(zhì)與安全問題等，故高階交流對直流(AC-DC)電源通常采用DSP。至于以MCU構(gòu)成的類比模組來達(dá)成數(shù)位電源設(shè)計并不理想，雖同樣能提供很多功能，且比FPGA或狀態(tài)機提供的更多，但器件很少能達(dá)到最佳性能。管MCU很靈活，但并不常用于高性能系統(tǒng)。

與此同時，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)機屬于專用器件，其邏輯閘數(shù)和成本最低。對于需要高靈活性的設(shè)計而言，工程團隊須考慮、規(guī)定和實現(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n寬度調(diào)變(PWM)控制晶片等設(shè)計，以便實現(xiàn)最佳成本、尺寸和功率。通常，設(shè)計差異在于數(shù)位硅智財 (IP)，用于與類比模組互動的演算法，如效率改進、環(huán)路回應(yīng)及嗜沸栽鑾康妊菟惴ǖ取

數(shù)位電源應(yīng)用范疇不斷擴大

現(xiàn)階段數(shù)位電源亦已進入PC和通訊設(shè)備等主流市場，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，隨著數(shù)位電源的需求量成長與開發(fā)成本的改善，也將逐漸向低端業(yè)務(wù)領(lǐng)域擴張，而模擬電源則無法升入高端業(yè)務(wù)領(lǐng)域，因其缺乏市場所需的功能。

以DC-DC電源設(shè)計為例，其為一種簡單的降壓穩(wěn)壓器，用戶最關(guān)心的是電源轉(zhuǎn)換效率和遙測，以及對運行和故障參數(shù)的控制，故可采用較簡易的數(shù)位電源設(shè)計。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)計成本較高，仍將利用最復(fù)雜的DSP 設(shè)計，進一步實現(xiàn)所需的靈活性。

此外，AC-DC市場有時會將控制器置于初級側(cè)(高壓側(cè))，有時又將其置于二級側(cè)，對AC-DC設(shè)計而言，因為有多種功率水屎透叢傭齲故此類解決方案的數(shù)量不及成本較低的狀態(tài)機數(shù)位電源方案。

另一方面，由于云端設(shè)備永不斷線的設(shè)計趨勢，導(dǎo)致對節(jié)能要求更加殷切，因此，數(shù)位電源未來將藉由動態(tài)相位調(diào)整(Dynamic Phase Control， DPC)和可變驅(qū)動電壓(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)的遞增或遞減將會隨著負(fù)載狀態(tài)的變動而改變，同時比例-積分-微分 (Proportional-integral-differential， PID)控制也隨之自動調(diào)整，如此一來，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)動電壓部分，由于系統(tǒng)內(nèi)部金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)的導(dǎo)通電阻，對設(shè)備重載狀態(tài)的電源效率影響甚;而處于輕載狀態(tài)時，MOSFET的交換損耗也極為重要。因此，藉由偵測負(fù)載的變化來調(diào)整數(shù)位電源驅(qū)動電壓的大小，將可有效提高整體系統(tǒng)效率。

搶進高階伺服器/主機板　數(shù)位電源接替類比地位

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

當(dāng)數(shù)位電源需求量明顯成長后，電源供應(yīng)商也將傾向提供一系列的整合設(shè)計方案，而非單一元件，因投資數(shù)位電源的使用者須針對低、中和高端系統(tǒng)的產(chǎn)品進行設(shè)計;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。