什么是数字电源 基本概念概括

任何 AC/DC 或 DC/DC 电源或稳压器的主要目标是在输入电压或负载条件发生变化的情况下提供稳定的 DC 输出电压。

就在不久之前，“数字电源”主要还是一个很少有商业装置的概念。时代变了，这些电源现在已成为标准电源，并广泛用于数据中心等电力密集型应用。它们的特性使得在狭小空间内提供数百安培的直流电轨成为可能，具有高效率以及受监控和管理的性能。

电源设计人员通常是一个谨慎的群体，因为他们在处理高电流、电压和功率水平以及电源故障或故障对设备和人员造成的后果时必须如此。虽然早期不太愿意采用基于固件的数字电源方法，但随着他们证明了自己，情况已经发生了变化。它们的热优势包括提高从低负载到满负载的效率、减少对组件的压力、简化冷却以及增加平均故障间隔时间。它们还通过实时报告其状态、趋势和操作以及它们的适应和调整能力，带来系统级优势。

什么是数字电源？

任何 AC/DC 或 DC/DC 电源或稳压器的主要目标是在输入电压或负载条件发生变化的情况下提供稳定的 DC 输出电压。这样做需要在 DC/DC 转换器内进行某种形式的闭环控制，基于实际输出电压的测量、与设定点值的比较以及实施基于反馈的校正以强制输出回到设定点并保持在那里。 每个供应设计都涉及权衡和优先事项；例如，电源是否应该非常有效（》90%）但仅在较窄的负载范围内，还是应该效率较低（60-80%）但在较宽的范围内？

模拟电源：电源调节传统上是使用闭环负反馈和开关稳压器中的模拟电路来实现的，图 1. （替代方案，低压差稳压器或 LDO 也是一种选择，但主要适用于几安培以下的负载。）这些切换器有许多标准、成熟的架构，还有一长串额外的增强功能可以增加在整个负载范围内提高效率，提高性能并确保一致的运行。这些增强功能可能变得非常复杂和巧妙，并且具有令人印象深刻的名称，例如 SEPIC（单端初级电感转换器）。它们使用某种形式的脉宽调制 （PWM），其中控制器调制占空比以将输出保持在所需的直流电压，尽管线路/负载发生变化。输出滤波器（未显示）对脉冲斩波输出进行平滑处理，以产生几乎无纹波的输出。

尽管输入和负载发生变化，标准模拟电源转换器使用众所周知的闭环拓扑来保持稳定的直流输出。

这些开关电源拓扑可以变得相当高效和复杂，但都有一个缺点：它们缺乏实时设置操作参数的灵活性。例如，英特尔/赛灵思 VR13 标准要求电源实现自适应电压缩放 （AVS），根据处理器时钟速度和负载动态地将其输出电压从 1.2 V 调整到 0.9 V，同时还补偿处理器内的工艺和温度变化。

混合模拟/数字电源：全模拟电源无法做到这一点。解决方案是像以前一样使用具有内部固定功能模拟控制环路的混合电源方法，该方法还允许通过设置一些环路参数以及报告电源状态来进行数字监控，图 2。核心控制算法仍然由硬件建立，但它的一些操作参数可以改变，例如目标输出电压、环路时间常数、带宽和设定点。

增强型模拟控制器设计保留了基本的闭环设计，但允许在外部控制下通过 PMBus、I 2 C、SPI 等数字端口对某些参数进行数字设置。

全数字电源：全数字电源使用完全不同的内部架构。与使用模拟电路实现控制回路不同——即使有一些数字监督——数字电源依赖于模拟/数字 （A/D） 转换器以数十千样本/秒的速度将关键的内部电压和电流数字化。转换后的值由执行闭环算法代码的专用嵌入式处理器（通常是 FPGA）使用。最后，算法的“决策”通过数字/模拟 （D/A） 转换器转换回模拟信号，以根据需要调整 PWM 电压和电流，图 3。这一切都是在实时、连续的基础上完成的。

 

全数字控制方法立即将关键电压和电流数字化，然后使用固件驱动的处理器和算法来启动控制动作，因此可以实施复杂的控制策略以及根据环境需要动态调整这些策略。

由于控制算法是基于固件的而不是硬连线的模拟电路，因此控制策略可能相当复杂和精密。此外，更强大的处理器可以管理两个或更多独立的输出轨，并协调这些轨以控制它们的输出电平、斜坡速率和相关的电源开/关时序，所有这些都不需要单独的电源管理 IC。它可以在负载曲线的不同段调用不同的控制算法，从而动态调整自身以获得最佳性能。最后，它可以提供有关供应状态、条件和变化的详细报告和历史数据，因此可以预测可能的故障，而不仅仅是在故障发生后才报告。

数字电源不再局限于两位数范围内的输出电流；它已经迁移到低得多的输出水平。例如，Renasas/Intersil ZL9006M DC/DC 电源模块（图 4）在很宽的输入电压范围内工作，并在高达 6 A 的情况下提供 0.6 V 和 3.6 V 之间的电压。它具有内置 PID 控制回路和自动- 补偿算法和 PMBus 接口，全部采用耐热增强、紧凑 （17.2 mm × 11.45 mm）、扁平 （2.5 mm） 封装，无需外部电感器。

Renasas/Intersil ZL9006M 是一款 6A、PMBus 兼容的 DC/DC 电源模块，通过在内部处理器上执行的嵌入式固件实现所需的闭环调节；它的占地面积小于 200 mm 2。

概括

即使是最先进的模拟电源也无法满足当今许多电子系统的电源需求，而是需要一种新形式的电源架构进行控制。全数字电源实施具有灵活性、性能和适应性，具有显着而切实的好处。它在概念和执行上与传统的基于模拟的电源有很大不同——在可预见的未来，它仍然是最低功率水平下最可行的解决方案——但数字设计已经成熟，并且正在扩展到更广泛的应用范围和更低的功耗收视率。

审核编辑：郭婷