“数字电源”概念的科普及发展

仅仅还是几年前，数字电源还只是一个概念，仅有一些做了长期评估的原型，但很少有实际应用。而到2016年，我们看到数字电源已经成为高耗能应景场景如数据中心的标配了，如果没有数字电源，鉴于目前可用的空间、效率要求和热约束以及这些设施的其他复杂需求，要想以不同直流电路提供数百安培的电量是非常困难的。

1、以较低的运营成本便可以收获高效率；热消耗低；更容易满足环保方面的监管要求。

2、它们可以满足处理器和FpGA具有挑战性及复杂的技术要求。

3、在运行期间，其灵活性高可以处理复杂的加电及省电测序场景。

通常，电源设计师（及许多用户）非常谨慎，这是他们在处理高电流、电压和功率时所必需的，否则后果便是设备故障和人员安全问题。谨慎的用户倾向于有长期使用记录且使用周期跨十年、二十年甚至更久的可行产品，他们不希望仅仅只是出于科技前沿的拉风噱头便跟风订购。

出于这些及其他原因，早期有一些人不愿意接受基于固件的方法，但目前这种情况已经改变。由于高端数字电源的跟踪记录有可靠的数据做后盾，所以其他应用领域如工业系统，在更低的层次也可受益。获得的优势包括，功率从低负载到满载，效率大为改善，这就节省了能源，减少了组件的热应力，简化了冷却且增加了MTBF（平均故障间隔时间）。

其实电源或转换器的目标很简单：在输入电压或负载条件发生变化的情况下，以期望的电压值，提供稳定、受控的直流输出。这需要在DC/DC转换器中进行某种形式的闭环控制，基于实际输出电压的测量，与设定值进行比较，并实现基于反馈的校正，以迫使输出返回到设定值并保存。

ThisregulaTIonhastradiTIonallybeenimplementedusingaclosed-loopnegaTIve-feedbackwithanalogcircuitryinaswitchingregulator，Figure1.（ThealternaTIve，alow-dropoutregulator，orLDO，isalsoanoption，butonlyviableatfairlylowpowerlevels.）Therearemanystandardarchitecturesfortheseswitchers，withalonglistofadditionalenhancementstoincreaseefficiencyacrosstheentireloadrange，boostperformanceandensureconsistentoperation.Theseenhancementscanbecomequitecomplicatedandclever，andhaveimpressivenamessuchasSEpIC（single-endedprimary-inductorconverter）。

这个规则传统上通过使用闭环负反馈来实现，并在开关调节器中使用模拟电路，见图1（低压差稳压器LDO也是一个选择，但只有低功率时才可行）。这些转换器有许多标准的架构，有一系列附加增强项，可以在整个负载范围内提升效率、提高性能并确保一致性操作。这些增强项十分复杂和灵活，且具有一个让人印象深刻的名字，如SEpIC（单端主电感转换器）。

图1：标准的模拟功率转换器使用了众所周知的闭环拓扑，即使输入和负载有变化，也可以维持规定的直流输出。

这些变量可能相当复杂，但它们都有一个缺点：缺乏操作参数实时设置的灵活性。例如，Intel/XilinxVR13标准要求将额定输出电压从1.2V直接变更为0.9V，再回到飞速写入，而这是完全模拟供电无法完成的。这种自适应的电压缩放（AVS），根据处理器的时钟速度和工作负载，调整供电输出电压以满足处理器的最低要求，同时自动在处理器内补偿工艺和温度变化。要做到这一切，需要一个完全可编程的、复杂的、固件控制的转换器。

通过一个I/O端口和数字参数设置电路，便可以实现一些所需的更改。这就产生了一种混合供电，其具有内部模拟控制回路，但也有总体数字监控和一些供应状态报告，见图2。

图2：增强的模拟控制器保留了基本的闭环设计，但允许通过数字端口（如pMBus、I2C、SpI等）在外部控制下进行参数的数字设置。

全数字电源使用的是截然不同的内部架构。数字电源使用模拟/数字（A/D）转换器对关键的内部电压和电流进行数字化处理，而不是使用模拟电路甚至是数字监管来实现控制回路。转换后的值被专用的嵌入式处理器（DSp、FpGA）使用，该处理器执行封闭循环算法的代码。最后，通过数字/模拟（D/A）转换器，算法的结果将转换回模拟信号，并按需调整电压和电流，见图3。

图3：全数字控制方法可以即刻对关键电压和电流进行数字化处理，然后使用固件驱动的处理器和算法来启动控制动作，这样就可以实现复杂的控制策略，以及按环境所需进行动态调整。

该控制算法基于固件，而不是硬件模拟电路，因此控制策略相当复杂。更好的改进方法是，单个处理器（如果足够强大的话）可以控制两个或多个独立的输出线路，并协调这些线路，以管理线路之间的输出级别、坡度和相对功率等因素。它还可以提供关于供应状态、条件和更改信息的详细报告和历史数据，因此故障可以被预见，而不是在发生之后才进行报告。

这里有两个案例将展示，数字设备如何以比数据中心更低的电流和电力需求来服务应用程序。来自CUI（图4）的NDM2Z-50是一种全数字DC/DC负载点（poL）转换器，它的输入范围为4.5V到14V，可编程输出为0.6V到3.3V，电流高达50A（最大值为165W）。它包括一个SMBus接口和可兼容pMBus™。尽管具有一个小的程序包（30.85x20.0x8.2mm的横向安装版），它还提供了诸如电压跟踪、电压边缘、主动电流共享、参数捕获、电压/电流/温度监控以及可编程软启动和软停止等特性。它的数据表（参考文件1）包括各种显示静态和动态性能的图表。

图4:CUI全数字DC/DCpoL转换器将提供高达50A的数据，且它也是效率更高或更低、灵活、可兼容且功能丰富的DC/DC转换器的一部分，而该转换器可以满足更大的应用需求。（图片来源：CUIInc。）

目前，许多电子系统的供电需求日益增加，即便是先进的模拟电源也不能满足需求，而是需要一种新的电源架构来控制。全数字电源因其灵活性、性能和适应性，将具有重大而切实的效益。虽然在概念和执行方面与传统基于模拟的供电截然不同，但数字电源设计日益成熟的，并正迅速扩展至其他应用。