僅僅還是幾年前，數(shù)字電源還只是一個概念，僅有一些做了長期評估的原型，但很少有實際應(yīng)用。而到2016年，我們看到數(shù)字電源已經(jīng)成為高耗能應(yīng)景場景如數(shù)據(jù)中心的標(biāo)配了，如果沒有數(shù)字電源，鑒于目前可用的空間、效率要求和熱約束以及這些設(shè)施的其他復(fù)雜需求，要想以不同直流電路提供數(shù)百安培的電量是非常困難的。

數(shù)字電源在高耗能應(yīng)用中大量普及有以下幾個原因：

1、以較低的運營成本便可以收獲高效率；熱消耗低；更容易滿足環(huán)保方面的監(jiān)管要求。

2、它們可以滿足處理器和FpGA具有挑戰(zhàn)性及復(fù)雜的技術(shù)要求。

3、在運行期間，其靈活性高可以處理復(fù)雜的加電及省電測序場景。

通常，電源設(shè)計師（及許多用戶）非常謹慎，這是他們在處理高電流、電壓和功率時所必需的，否則后果便是設(shè)備故障和人員安全問題。謹慎的用戶傾向于有長期使用記錄且使用周期跨十年、二十年甚至更久的可行產(chǎn)品，他們不希望僅僅只是出于科技前沿的拉風(fēng)噱頭便跟風(fēng)訂購。

出于這些及其他原因，早期有一些人不愿意接受基于固件的方法，但目前這種情況已經(jīng)改變。由于高端數(shù)字電源的跟蹤記錄有可靠的數(shù)據(jù)做后盾，所以其他應(yīng)用領(lǐng)域如工業(yè)系統(tǒng)，在更低的層次也可受益。獲得的優(yōu)勢包括，功率從低負載到滿載，效率大為改善，這就節(jié)省了能源，減少了組件的熱應(yīng)力，簡化了冷卻且增加了MTBF（平均故障間隔時間）。

科普一下數(shù)字電源的概念

其實電源或轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)很簡單：在輸入電壓或負載條件發(fā)生變化的情況下，以期望的電壓值，提供穩(wěn)定、受控的直流輸出。這需要在DC/DC轉(zhuǎn)換器中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(shè)定值進行比較，并實現(xiàn)基于反饋的校正，以迫使輸出返回到設(shè)定值并保存。

ThisregulaTIonhastradiTIonallybeenimplementedusingaclosed-loopnegaTIve-feedbackwithanalogcircuitryinaswitchingregulator，F(xiàn)igure1.（ThealternaTIve，alow-dropoutregulator，orLDO，isalsoanoption，butonlyviableatfairlylowpowerlevels.）Therearemanystandardarchitecturesfortheseswitchers，withalonglistofadditionalenhancementstoincreaseefficiencyacrosstheentireloadrange，boostperformanceandensureconsistentoperation.Theseenhancementscanbecomequitecomplicatedandclever，andhaveimpressivenamessuchasSEpIC（single-endedprimary-inductorconverter）。

這個規(guī)則傳統(tǒng)上通過使用閉環(huán)負反饋來實現(xiàn)，并在開關(guān)調(diào)節(jié)器中使用模擬電路，見圖1（低壓差穩(wěn)壓器LDO也是一個選擇，但只有低功率時才可行）。這些轉(zhuǎn)換器有許多標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，有一系列附加增強項，可以在整個負載范圍內(nèi)提升效率、提高性能并確保一致性操作。這些增強項十分復(fù)雜和靈活，且具有一個讓人印象深刻的名字，如SEpIC（單端主電感轉(zhuǎn)換器）。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)的模擬功率轉(zhuǎn)換器使用了眾所周知的閉環(huán)拓撲，即使輸入和負載有變化，也可以維持規(guī)定的直流輸出。

這些變量可能相當(dāng)復(fù)雜，但它們都有一個缺點：缺乏操作參數(shù)實時設(shè)置的靈活性。例如，Intel/XilinxVR13標(biāo)準(zhǔn)要求將額定輸出電壓從1.2V直接變更為0.9V，再回到飛速寫入，而這是完全模擬供電無法完成的。這種自適應(yīng)的電壓縮放（AVS），根據(jù)處理器的時鐘速度和工作負載，調(diào)整供電輸出電壓以滿足處理器的最低要求，同時自動在處理器內(nèi)補償工藝和溫度變化。要做到這一切，需要一個完全可編程的、復(fù)雜的、固件控制的轉(zhuǎn)換器。

通過一個I/O端口和數(shù)字參數(shù)設(shè)置電路，便可以實現(xiàn)一些所需的更改。這就產(chǎn)生了一種混合供電，其具有內(nèi)部模擬控制回路，但也有總體數(shù)字監(jiān)控和一些供應(yīng)狀態(tài)報告，見圖2。

圖2：增強的模擬控制器保留了基本的閉環(huán)設(shè)計，但允許通過數(shù)字端口（如pMBus、I2C、SpI等）在外部控制下進行參數(shù)的數(shù)字設(shè)置。

全數(shù)字電源使用的是截然不同的內(nèi)部架構(gòu)。數(shù)字電源使用模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器對關(guān)鍵的內(nèi)部電壓和電流進行數(shù)字化處理，而不是使用模擬電路甚至是數(shù)字監(jiān)管來實現(xiàn)控制回路。轉(zhuǎn)換后的值被專用的嵌入式處理器（DSp、FpGA）使用，該處理器執(zhí)行封閉循環(huán)算法的代碼。最后，通過數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器，算法的結(jié)果將轉(zhuǎn)換回模擬信號，并按需調(diào)整電壓和電流，見圖3。

圖3：全數(shù)字控制方法可以即刻對關(guān)鍵電壓和電流進行數(shù)字化處理，然后使用固件驅(qū)動的處理器和算法來啟動控制動作，這樣就可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略，以及按環(huán)境所需進行動態(tài)調(diào)整。

該控制算法基于固件，而不是硬件模擬電路，因此控制策略相當(dāng)復(fù)雜。更好的改進方法是，單個處理器（如果足夠強大的話）可以控制兩個或多個獨立的輸出線路，并協(xié)調(diào)這些線路，以管理線路之間的輸出級別、坡度和相對功率等因素。它還可以提供關(guān)于供應(yīng)狀態(tài)、條件和更改信息的詳細報告和歷史數(shù)據(jù)，因此故障可以被預(yù)見，而不是在發(fā)生之后才進行報告。

這里有兩個案例將展示，數(shù)字設(shè)備如何以比數(shù)據(jù)中心更低的電流和電力需求來服務(wù)應(yīng)用程序。來自CUI（圖4）的NDM2Z-50是一種全數(shù)字DC/DC負載點（poL）轉(zhuǎn)換器，它的輸入范圍為4.5V到14V，可編程輸出為0.6V到3.3V，電流高達50A（最大值為165W）。它包括一個SMBus接口和可兼容pMBus™。盡管具有一個小的程序包（30.85x20.0x8.2mm的橫向安裝版），它還提供了諸如電壓跟蹤、電壓邊緣、主動電流共享、參數(shù)捕獲、電壓/電流/溫度監(jiān)控以及可編程軟啟動和軟停止等特性。它的數(shù)據(jù)表（參考文件1）包括各種顯示靜態(tài)和動態(tài)性能的圖表。

圖4:CUI全數(shù)字DC/DCpoL轉(zhuǎn)換器將提供高達50A的數(shù)據(jù)，且它也是效率更高或更低、靈活、可兼容且功能豐富的DC/DC轉(zhuǎn)換器的一部分，而該轉(zhuǎn)換器可以滿足更大的應(yīng)用需求。（圖片來源：CUIInc。）

總結(jié)

目前，許多電子系統(tǒng)的供電需求日益增加，即便是先進的模擬電源也不能滿足需求，而是需要一種新的電源架構(gòu)來控制。全數(shù)字電源因其靈活性、性能和適應(yīng)性，將具有重大而切實的效益。雖然在概念和執(zhí)行方面與傳統(tǒng)基于模擬的供電截然不同，但數(shù)字電源設(shè)計日益成熟的，并正迅速擴展至其他應(yīng)用。

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