数码电源技术演进与设计应用趋势
- DIGITIMES企划
-
为了在类比的电源供应系统上，设计出更精细、更复杂多样化的电源管理演算法则，源自于云端运算的服务器、电信机台设备的数码电源技术，以DSP数码信号控制器或MCU微控制器做为监控与输出多样化类比电压的调整技术；即便其成本较高，系统业者也开始将它推广并导入一般消费性电子产品，藉以开发出更多的节能控制与智能绿能应用…
电源设计本质上是类比电路设计。以电源转换器(Power Converter)来说，其主要功能是将输入电源的型式转换成负载所需要的电源型式，基本上由功率开关元件(功率晶体管、功率二极管)、电能储存与滤波元件(如电感器、电容器、变压器)、检测与控制元件所组成，还是要用MOSFET、升降压转换器、ADC、DAC等类比元件。
所谓的数码电源，是指在类比的电源设计基础上，利用数码信号处理器(DSP)、微控制器(MCU)，甚至可程序逻辑闸(FPGA)来进行可程序化的电源管理。
采用DSP、MCU或FPGA设计的数码电源，可以搭配相对复杂的演算法来管理或控制整个电源供应系统，当电源的负载输出非常复杂时，采用数码电源比传统类比电源更有优势，也由于增加额外的DSP、MCU或FPGA，加上芯片必须内建(或外搭)一颗EEPROM甚至Flash存储器来储存相关电源？电压参数，使得其成本会略高于全类比的电源供应器。
数码电源技术，一开始是从服务器、电信机台设备等系统开始普及，在节能趋势催化下，数码电源已打进PC和通讯领域等主流市场，并逐渐渗透至其他电子领域，由于数码电源可减少周边元件数量，并拥有更优异的实时控制与软件配置功能，甚至在半导体混合信号制程、SoC设计趋势及异质性元件(Heterogeneous)整合的潮流下，不少微控制器、应用处理器或PC的处理器，本身已内建极为优异的数码电源控制功能。将逐渐接替类比电源的地位，快速扩大市场渗透率。
数码电源的定义与设计类型
数码电源定义上大致可分为两大类：一种是仅具备对外数码界面沟通的电源设计，例如像是电源管理汇流排(PMBus)和I2C等的模拟数码电源解决方案。其提供的数码界面功能，会因产业需求而异，从报告基本的电压、电流、温度等监测数据状态，到能够改变内部类比电源电路的输出功能。
而这类产品通常具有电压模式、电流模式或其他模式的类比锁相回路功能；透过电源参数的取得，进行分析并且动态回馈调整类比电源输出，虽然功能上比较受到局限，但仍比以往传统类比电源电路还能提供一定程度的效益。
而第二种正统的纯数码控制电源，电源本身即为一个由DSP、MCU或FPGA等做自主控制的数码系统，从AC-DC、DC-DC及DC-AC等转换输出，进行像电压脉冲调变(Pulse Width Modulation；PWM)、功因参数修正(Power Factor Correction；PFC)或其它更复杂的电压、电源输出的调整方式。
而纯数码电源的设计方式，可以再进一步区分成3种类型：1.采用数码信号处理器(DSP)设计的数码电源方案。2.采微控制器(MCU)为核心的数码电源方案。3.采用可程序化逻辑闸阵列(FPGA)设计的数码电源方案。这种纯数码电源电路的设计，企图以具有竞争力的价格实现更高的控制、效率和遥测水准。
通常电源系统功能愈复杂，采用DSP或MCU的可能性就愈高。此类设计要求电源工程师利用程序开发工具套件来开发、撰写高品质的电源控工艺序，并针对不同的DSP或MCU芯片核心型号去编译、产生可执行的执行码。像AC-DC应用电源设计，一般会将控制器设置在线圈的高压侧，但有些设计方案会因应需求设置在低压侧，且依据功率水准采较高复杂度的控制设计方案。
若再考量AC-DC本来就有多种拓璞(全桥接、半桥接、正激？反激式)的设计方式，对功率因数校正(Power Factor Correction；PFC)需求较高的设计前提，厂商多半会偏好采用较复杂的DSP设计方案，来实现数码电源系统设计所需之灵活性。
在一般的DC-DC直流转换应用上，电源工程师比较关心电源的转换效率和实时监测数据，并对于运行中的电源系统的故障参数控制方案进行整合，以MCU芯片所设计的数码电源方案，可以用较低成本，提供出比FPGA系统还更多的灵活调控功能，因此MCU较常见于DC-DC的电源设计应用。
至于FPGA的数码电源，比较偏向于DC-DC以及着重在数码数据处理方面的应用，若要设计于AC-DC转换，则反而需要另外搭配合适的A/D类比转数码的转换界面元件，整个系统使用上的灵活度比教受到局限。
数码电源解决方案也提出一些像是可变驱动电压(Variable Gate Drive；VGD)、动态相位调整(Dynamic Phase Control；DPC)等技术。VGD可变驱动电压技术为针对MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)功率晶体元件的之控制技术，并针对设备的负载状态持续修正电源效率表现。当驱动设备处于轻负载状态，MOSFET功率晶体元件本身的耗能也是关键；若能侦测负载变化状态，并实时将数码电源本身使用的工作电压适度调降，能更进一步提升整体电源系统之应用效率。
至于DPC方面，过去数码化电源系统仅针对单一相位(Single Phase)进行电源转换效率的最佳化设定，而DPC能针对目前所使用到的交流电相位数，依照数码化机制将负载变动状态所对应相位，进行功率转换的动态调整；亦针对位置积分反馈(Proportional integral differential；PID)同步进行自动调整，确保数码电源系统因应不同负载状态的运作稳定性。
系统业者逐渐导入数码电源的设计
过去因考量会牵涉到EMI、认证与功率因素调校等繁复程序，除非客户指定要求，不然在多数产品特别是电源设计的部分，选择策略上相对保守，会尽可能选择延续现有的类比式电源设计，以现有认证考验的应用解决方案来优先采用。不过当前厂商所提供的数码电源设计方案，不仅较传统类比电源提供更高的输出性能，成本差距也持续拉近中。
云端运算(Cloud Computing)蓬勃发展之际，服务器的建置导致耗电量的激增，已促使数据中心业者，从一开始机台设备的选购上，对节能规格要求更加严格；对需24小时永不停机的云端设备来说，数码化电源搭配多种设计解决方案，较传统类比式电源系统，提供更多、更完善的控制应用功能；透过数码控制技术达到的长时间节能效益，足以减少营运成本的耗费并加速投资的回收。
而现今用户对手机、平板电脑、网通设备，到笔记本电脑、桌机等用户端设备，开始追求长时间待机能力，加上电价的调涨，更让消费者对于装置节能更加重视。装置必需随时侦测在轻度或无工作负载下，能快速的进入睡眠节电、从睡眠模式苏醒回来的种种要求，传统类比电源已不足以因应；因此由数码电源所带动电源设计架构翻新，打造出符合消费者需求及快速工作又极尽省电的装置，也能更壮大数码电源设计与应用的普及化。
不过在开发数码电源上，仍会面临到像需搭配优化的类比数码转换器(ADC)、数码类比转换器(DAC)模块，如何选用脉冲宽度调变(PWM)控制芯片等挑战。设计差异在于上游数码矽智财电路(IP)与演法的选择，如何在方案微缩设计、降低产品成本与加大处理输出额定功率等设计问题，以实现最佳成本、尺寸和数码电源的输出功率，成为各数码电源方案供应商争取系统设计业者的重要关键。
