数字电源的基本概念

不久前，“数字电源”主要是一个很少有商业装置的概念。时代变了，这些电源现已成为标准电源，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的空间内提供数百安培的直流电源轨成为可能，具有高效率，并受到监控和管理性能。

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的影响时必须谨慎。虽然早期有些人不愿意接受基于固件的数字电源方法，但随着他们证明自己，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、减少组件上的应力、简化冷却以及增加平均故障间隔时间。他们还通过实时报告其状态、趋势和操作以及适应和调整能力来带来系统级优势。

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，与设定值的比较，并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级;例如，电源应该非常高效（》90%）但仅在较窄的负载范围内，还是应该具有较低的效率（60-80%）但在更宽的范围内？

模拟电源：传统上，电源调节是通过开关稳压器中的模拟电路的闭环负反馈来实现的，图1。（另一种选择是低压差稳压器（LDO），但主要用于几安培以下的负载。这些切换器有许多标准的成熟架构，并具有一长串额外的增强功能，可提高整个负载范围内的效率，提高性能并确保一致的操作。这些增强功能可能会变得非常复杂和聪明，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在线路/负载变化的情况下将输出保持在所需的直流电压。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。

标准模拟功率转换器使用众所周知的闭环拓扑结构，即使在输入和负载发生变化的情况下也能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/Xilinx VR13 标准要求电源实现自适应电压调节 （AVS），根据处理器时钟速度和负载在 1.2 至 0.9 V 范围内动态调整输出电压，同时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混合电源方法和内部固定功能模拟控制环路，这也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。内核控制算法仍由硬件建立，但其某些操作参数可以更改，例如目标输出电压、环路时间常数、带宽和设定值。

增强型模拟控制器设计保留了基本的闭环设计，但允许通过数字端口（如PMBus，I）在外部控制下对某些参数进行数字设置2C、SPI 或其他。

全数字电源：全数字电源使用完全不同的内部架构。数字电源不是使用模拟电路实现控制环路（即使有一些数字监控），而是依靠模拟/数字（A/D）转换器以数十千采样/秒的速度对关键内部电压和电流进行数字化处理。转换后的值由专用的嵌入式处理器（通常是FPGA）使用，该处理器执行闭环算法的代码。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，如图3所示。这一切都是实时、连续完成的。

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，因此可以实现复杂的控制策略，并根据情况需要动态调整这些策略。

由于控制算法是基于固件而不是硬连线模拟电路的，因此控制策略可能相当复杂和复杂。此外，功能更强大的处理器可以管理两个或多个独立的输出轨，并协调这些轨以控制其输出电平、斜坡速率和相对电源开/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报告。

数字电源不再局限于两位数范围内的输出电流;它已下降到低得多的输出水平。例如，Renasas/Intersil ZL9006M DC/DC 电源模块（图 4）可在宽输入电压范围内工作，并在高达 6 A 的电流下提供 0.6 V 至 3.6 V 的电压。它具有内置的PID控制环路和自动补偿算法，以及PMBus接口，全部采用热增强型紧凑型（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，可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;占地面积小于 200 mm2.

总结

当今许多电子系统的电源需求甚至无法通过领先的模拟电源来满足，而是需要一种新型的电源架构进行控制。全数字电源实施具有显著而切实的优势，具有灵活性、性能和适应性。它在概念和执行上与传统的基于模拟的电源非常不同 - 在可预见的未来，后者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和更低的额定功率。

审核编辑：郭婷