《电子技术应用》

提升云端设备节能效率 数位电源发展突飞猛进

摘要: 在节能趋势催化下,数位电源已逐渐由高阶、利基型应用领域,扩大延伸至个人电脑和通讯等主流产品市场。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,迅速提升市场渗透率。

Abstract:

 

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。

  关于交换式电源设计方案,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。主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案。

  尤其在云端运算(Cloud Computing)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。

  数位电源定义分两类

  数位电源一般有两种定义可循,首先是带有数位介面的电源设计,例如电源管理汇流排(PMBus)和I2C的模拟电源解决方案。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。

  至于第二种定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。设计数位电源的主要动机就是以具有竞争力的价格实现更高的控制、效率和遥测水准;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)为核心的方案,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,虽同样能提供很多功能,且比FPGA或状态机提供的更多,但器件很少能达到最佳性能。尽管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。对于需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案一样灵活。

  由于数位电源有各种不同的设计解决方案,且必须较传统类比电源提供更多功能(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,以及脉冲宽度调变(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、环路回应及准确性增强等演算法等。

数位电源有各种不同的设计解决方案,且必须较传统类比电源提供更多功能

 

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,因为有多种功率水准和复杂度,故此类解决方案的数量不及成本较低的状态机数位电源方案。

  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(Dynamic Phase Control, DPC)和可变驱动电压(Variable Gate Drive, 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钜;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提供一系列的整合设计方案,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,他们也需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案。

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