提升云端设备节能效率 数位电源发展突飞猛进

[导读] 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。

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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。