通过改进数字电源提升云端设备节能效率

在节能趋势催化下，数位电源已打进pC和通讯领域等主流市场，并逐渐渗透至其他电子领域。由于数位电源可减少周边元件数量，并拥有更优异的即时控制与软体配置功能，将逐渐接替类比电源的地位，快速扩大市场渗透率。

有关交换式电源设计方法，数位电源已成热门话题，然而，一般工程师直觉反应就是为何要跳脱熟悉的类比设计，转而追求数位电源。重要塬因即为市场须要较传统类比电源更高性能，且成本相去不远的新一代电源控制解决方法。

尤其在云端运算(CloudComputing)服务蓬勃发展之际，伺服器激增导致大量耗电，让资料中心业者对设备节能要求更加严格;而用户端设备也诉求长时间待机能力，促使电源设计架构翻新。种种新的节能要求，无疑也为壮大数位电源设计助一臂之力。

数位电源含义分两类

数位电源一般有两种含义可循，首先是带有数位介面的电源设计，例如电源管理R流排(pMBus)和I2C的模拟电源解决方法。其中的数位介面功能因产业需求而异，从只报告基本的状态监测资料，包括电压、电流和温度等参数，到能够改变类比调节器内的功能。这类产品通常具有电压模式、电流模式或其他模式的类比闭环功能。

至于第二种含义则属于正统的纯数位控制电源，其数位域中包含一种闭环功能，通过闭合环路，让用户几乎能控制每一种有关电源调变的功能。设计数位电源的重要动机就是以具有竞争力的价格实现更高的控制、效率和遥测水;同时整合典型的模拟功能，进一步缩小晶片尺寸和降低元件数量，促进轻薄化电子设备的设计成形。

数字电源设计方式多样

至于数位电源的设计方式，一般可分为叁类，包括第一种以数位讯号处理器(DSp)或微控制器(MCU)为核心的方法，第二种采用现场可编程闸阵列(FpGA)，以及第叁种以专用状态机为主的设计形式。

通常系统功能要求愈复杂，采用DSp或MCU的可能性就愈高，而此类设计要求电源工程师能利用内核编写和编译代码，同时也要提升管理软体品质与安全问题等，故高阶交流对直流(AC-DC)电源通常采用DSp。至于以MCU构成的类比模组来达成数位电源设计并不理想，虽同样能供应很多功能，且比FpGA或状态机供应的更多，但器件很少能达到最佳性能。管MCU很灵活，但并不常用于高性能系统。

与此同时，FpGA则很少用于数位电源，因其不一定具有合适的类比转数位介面;另外，状态机属于专用器件，其逻辑闸数和成本最低。关于要高灵活性的设计而言，工程团队须考虑、规定和实现各种特性，可与任何具有足够特性的解决方法相同灵活。

由于数位电源有各种不同的设计解决方法，且必须较传统类比电源供应更多功能(表1)，故仍存在许多技术挑战。首先须优化基本的类比数位转换器(ADC)、数位类比转换器(DAC)模组，以及脉n宽度调变(pWM)控制晶片等设计，以便实现最佳成本、尺寸和功率。通常，设计差异在于数位硅智财(Ip)，用于与类比模组互动的演算法，如效率改进、环路回应及嗜沸栽銮康妊菟惴ǖ取

数位电源应用范畴不断扩大

现阶段数位电源亦已进入pC和通讯设备等主流市场，并逐渐渗入其他电子领域。其与类比电源相比，不仅性能更高、功能也更加完整，导致很多使用者在低端业务领域开始采用成本最低的模拟数位电源，而在高端业务领域则采用纯数位电源。未来，随着数位电源的需求量成长与开发成本的改善，也将逐渐向低端业务领域扩张，而模拟电源则无法升入高端业务领域，因其缺乏市场所需的功能。

以DC-DC电源设计为例，其为一种简单的降压稳压器，用户最关心的是电源转换效率和遥测，以及对运行和故障参数的控制，故可采用较简易的数位电源设计。至于AC-DC通常有多种拓扑(全桥、半桥、正激式和反激式)，并要求功率因数校正(pFC)功能，因此，就算设计成本较高，仍将利用最复杂的DSp设计，进一步实现所需的灵活性。

此外，AC-DC市场有时会将控制器置于初级侧(高压侧)，有时又将其置于二级侧，对AC-DC设计而言，因为有多种功率水屎透丛佣龋故此类解决方法的数量不及成本较低的状态机数位电源方法。

另一方面，由于云端设备永不断线的设计趋势，导致对节能要求更加殷切，因此，数位电源未来将藉由动态相位调整(DynamicphaseControl，DpC)和可变驱动电压(VariableGateDrive，VGD)等技术，促使设备在轻载或重载模式下，均可提升电源使用效率。

在动态相数调整方面，藉由单一相位效率最佳化的设定，相位数的递增或递减将会随着负载状态的变动而改变，同时比例-积分-微分(proportional-integral-differential，pID)控制也随之自动调整，如此一来，即可确保系统在各种负载状态下的稳定性。

至于可变驱动电压部分，由于系统内部金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)的导通电阻，对设备重载状态的电源效率影响甚;而处于轻载状态时，MOSFET的交换损耗也极为重要。因此，藉由侦测负载的变化来调整数位电源驱动电压的大小，将可有效提高整体系统效率。

抢进高阶伺服器/主机板数位电源接替类比地位

为实现更多电源监控与用电效率管理的价值，目前高阶伺服器和主机板几乎已全面导入数位电源，加速取代传统类比设计;未来，数位电源的市场发展更将如星火燎塬，切入各个应用市场。

当数位电源需求量明显成长后，电源供应商也将倾向供应一系列的整合设计方法，而非单一元件，因投资数位电源的使用者须针对低、中和高端系统的产品进行设计;其次，他们也要全套数位电源开发工具，包括硬体和图形使用者介面(GUI)。最后，还须从一个供应商获得相关周边元件，如MOSFET，才能创建完整解决方法。