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)已成為標準電源，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的影響時必須謹慎。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)勢包括提高從低負載到滿負載的效率、減少組件上的應力、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(nèi)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)先級;例如，電源應該非常高效（》90%）但僅在較窄的負載范圍內(nèi)，還是應該具有較低的效率（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)是通過開關穩(wěn)壓器中的模擬電路的閉環(huán)負反饋來實現(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載。這些切換器有許多標準的成熟架構，并具有一長串額外的增強功能，可提高整個負載范圍內(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）對脈沖斬波輸出進行平滑處理，以產(chǎn)生幾乎無紋波的輸出。

標準模擬功率轉換器使用眾所周知的閉環(huán)拓撲結構，即使在輸入和負載發(fā)生變化的情況下也能保持穩(wěn)定的直流輸出。

這些開關電源拓撲可以變得相當高效和復雜，但都有一個缺點：它們?nèi)狈崟r設置操作參數(shù)的靈活性。例如，英特爾/Xilinx VR13 標準要求電源實現(xiàn)自適應電壓調(diào)節(jié) （AVS），根據(jù)處理器時鐘速度和負載在 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。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，例如目標輸出電壓、環(huán)路時間常數(shù)、帶寬和設定值。

增強型模擬控制器設計保留了基本的閉環(huán)設計，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)進行數(shù)字設置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。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）轉換器以數(shù)十千采樣/秒的速度對關鍵內(nèi)部電壓和電流進行數(shù)字化處理。轉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）轉換器轉換回模擬信號，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，因此可以實現(xiàn)復雜的控制策略，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復雜和復雜。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(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 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

當今許多電子系統(tǒng)的電源需求甚至無法通過領先的模擬電源來滿足，而是需要一種新型的電源架構進行控制。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)字設計已經(jīng)成熟，并且正在擴展到更廣泛的應用和更低的額定功率。

審核編輯：郭婷