【導讀】數字電源技術在經過數十年的發展之后，取得突破性進展。針對當前的數字電源市場就由不同的解決方案，那么，數字電源意味著什么？數字電源還將迎來那些挑戰？本文將為你一一解答。
數字電源的發展趨勢
10多年前，當數字電源產品第一次出現時，大多數的電源設計工程師都對利用DSP的數字電源控制器代替模擬的PWM控制器的概念持懷疑態度，因為人們容易將數字電源和軟件故障或者是因為系統死機引起的電源爆炸事故聯系在一起。在包含了數字通信和控制復雜的功率系統所必需的全部功能性產品面世之前，這些基本概念是通過高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到驗證的。雖然數字電源技術已被證實具有提高功率系統性能的能力，但業界還不能接受利用數字技術處理原來一直通過模擬方式完成的工作。在過去的幾年間，數字電源技術取得了巨大進步，市場分析人士以及投資者對其未來增長潛力非常樂觀。
首先，我們要了解一下當前數字電源市場有哪些不同的解決方案，先了解清楚數字電源究竟意味著什么是很重要的。功率系統監視、監測、故障檢測和數據記錄是“數字電源管理”的一個重要方面，其可以通過價廉的微控制器、FPGA或者PLD實現，而時基要求比較低。不過，數字電源更具有挑戰性的例子是“數字控制電源”，其中有一個或多個電源控制環路，以高速模數轉換器（ADC）和微控制器、狀態機或DSP控制算法為基礎。
根據半導體市場研究機構IMS估計，全球數字功率半導體市場將從2012年的27億美元增長到2017年的124億美元。服務器現在是數字電源的最大單一市場，預計2013年占到整體營業收入的33%。2012-2017年該領域的復合年度增長率將達44.8%。增長最快的數字電源應用領域將是照明，預計2012至2017年，該領域的復合年度增長率將達146%。其中來自LED照明解決方案的使用不斷增長，尤其是需要滿足切相調光解決方案適合采用數字電源控制來實現對不同相位調光器的兼容性。同時，筆記本與平板電腦中的PFC數字電源的復合年度增長將分別達99%和82%。主要家用電器中數字電源將增長76%，手機中數字電源將增長52%。從中可以看出，未來幾年內數字電源的營收增長勢頭將遠遠超過模擬電源。
迄今為止市場上出現的專用數字控制器中，大多數是隔離DC/DC和AC/DC功率因數校正（PFC），它們之所以在市場上獲得更多認可的原因，主要是在于最近幾年市場上蓬勃發展的智能手機/平板快速充電的需求日益提高，和更加節能綠色的LED照明替換傳統照明的大勢所趨。此外，市場上對非隔離DC/DC功率轉換（例如電壓調節模塊（VRM）和POL轉換器）的數字化需求也日益增加。
數字PFC控制器的功能性要求與POL控制器截然不同。PFC穩壓器對于負載調節精度要求較低，而且工作在更低的開關頻率和更低的控制環路帶寬下，容易帶來量化誤差以及ADC分辨率下降等設計挑戰。此外，PFC控制器存在獨特的設計問題，需要豐富的系統知識和經驗。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開關穩壓所產生噪聲的電磁干擾（EMI）濾波器。數字PFC穩壓器可以整合功能以降低對EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據所采用的控制算法和工作模式（比如不連續傳導模式、連續傳導模式或者邊界傳導模式）的不同，模擬PFC控制器可以分為好幾類。每一種PFC工作模式都有其優缺點，在不同功率級更為顯著。數字PFC控制器可以被分配在任一種PFC控制模式下。
不論是對PFC應用，還是POL應用，一個可以配置在許多OEM（原始設備制造商）產品平臺上的控制器有助于加快開發速度，并減少需維護的元件庫存，以提高更高的價值。
數字電源更適合于更大功率的應用，因為這類應用需要一個或多個PFC（功率因數校正）穩壓器、多個隔離和非隔離的電源軌，以及復雜的冷卻溫度曲線。服務器電源系統就是數字控制和電源管理在分布式電源架構中提供性能和效率優勢的實例之一。隨著越來越多的數字電源進入到服務器和計算功率領域，其他大功率DPA（分布式電源架構）系統（比如用于電信和數據通信的DPA系統）開始采用數字電源解決方案。
POL轉換器一般為低電壓、大電流數字負載（如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動態特性的數字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調節，同時利用純模擬控制技術來滿足近200A/ns的負載瞬態要求變得越來越困難。有些數字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實現的功能，例如非線性控制。事實上，幾乎所有的POL數字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態響應的控制技術。這些專用控制算法構成了傳統模擬電源公司進入數字電源開發的門檻。Altera的電源事業部在去年成功收購創新電源公司Enpirion的基礎上，成功于今年12月在市場上推出一系列高性能的全集成數字電源解決方案。其中，EM1130內部采用數字內核實現控制環路，可以滿足極為嚴苛的瞬態要求，實現極低的紋波電壓（5mV峰峰值），以及在輸出電壓范圍（0.6V~1.5V）實現極高的精確穩壓±0.5%。同時可以支持PMBus通信接口，可以實現遠程精確的電流、電壓和溫度監控。
不論是模擬還是數字方案，為市場應用開發的電源對于成本特別敏感。在對數字和模擬電源解決方案兩者的成本進行比較時，必須從系統整體角度出發，包括設計成本、工藝開發、測試、驗證、制造、庫存控制、外圍元器件節省以及可靠性導致的維護成本等。
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數字控制比模擬控制具有某些更好的性能、設計更靈活且在復雜的設計中更容易上手使用。如下總結的六個方面的性能決定了模擬電源被數字電源取代的主要原因。
(1)瞬態響應：控制機制極大影響了系統的瞬態響應。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態響應會有很大不同。每種控制模式都既有優點，也有缺點。數字解決方案能無縫地從一種模式轉換到另一種模式，從而提供最優的瞬態響應。
(2)效率：許多應用條件都會影響到效率，包括死區時間、開關頻率、柵極驅動等級、二極管仿真和相移等。針對這些因素，當前數字控制所提供的數字控制算法在整個工作條件范圍內進行了優化。因此，在某個工作點下，也許能將模擬控制器調整到很高的效率，但數字控制器卻可對所有的工作點進行優化。
(3)調節精度：一般來說，調節精度是根據線電壓、負載和溫度來定義的，因為這些條件中的每一個都會影響調節精度。數字控制器可以監視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內進行優化。
(4)穩定性：數字控制能夠提供比模擬方案更好的補償（更好地調用極點和零點），因此在穩定性上的控制要好很多。另外，補償能夠隨著條件的變化而變化，使系統能在很寬范圍的條件下實現最佳的穩定性。模擬控制器的補償是固定的，而數字控制可提供可調的甚至是自適應的補償。
(5)故障響應：數字電源控制器提供了大量故障響應的選項。每種故障都有唯一的響應特性，可根據用戶的需求進行調整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應（如斷電/斷續/過載），用戶也只能選擇用或者不用。數字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。
(6)可靠性：減少元件數量和降低工作溫度（通過效率優化）是數字電源提高系統可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應和探測元器件參數微小變化的能力，可以大幅減少停機時間。
如今，數字電源在市場上的普及正在加快。以通信基站系統舉例，如果能夠監測系統參數，則可更好地管理系統性能，進而提高系統可靠性。基帶單元必須具備強大的信號處理能力，以處理大量數據和語音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開啟/關閉。需要對基帶工作過程中的電流和溫度進行監測，以確保系統工作在容限范圍內，并在必要時提供報警或故障指示信號。另外，遠端控制功能和先進的故障管理功能能夠確保基站實現更高的可靠性。
如果采用模擬方案，這些功能將需要多個器件和電源管理的支持。而數字方案則可降低設計復雜度，只需獨立的電源管理芯片。基站電源往往要求非常復雜的電源管理控制器，每項功能需要多個分立元件配合。設計方案的總電路板面積和復雜度也相應增長。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設計方案必須在較寬的工作溫度范圍內保持可靠。對于傳統的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設置補償，而又必須解決寬工作范圍問題。同時，無源器件（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補償的復雜度。
數字電源可作為更好的替代方案，數字架構中能夠實現自動補償，并有利于優化帶寬。更大頻寬的負載瞬態響應有助于改善系統容限或省掉輸出電容，從而縮小系統尺寸。此外，由于無源器件參數隨著溫度的變化而發生變化，自動補償功能能夠自適應調整，適應條件的變化，從而在整個溫度范圍內實現最優設計。
在提高效率方面，數字電源的作用也非常大。在正確實現時，數字控制有可能通過占空比優化和自適應直通控制，在滿足瞬態要求的同時，實現更低的開關頻率、關鍵時序的實時適應（比如同步整流或者諧振死區時間）、切相以及根據負載電流變換工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系統功率根據負載要求進行更有效的管理，故數字控制能夠提高總體效率。這里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系統靜態功耗的成功案例。通過SmartVID雙向通信接口應用，EM1130可以幫助Arria10的靜態功耗顯著降低——通過實際測試，可以幫助A10的靜態功耗降低多達40%，且不會影響FPGA本身的工作性能表現。這個產品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠家實現高性能和低功耗的顯著設計目標。
圖 FPGA供電解決方案的未來發展趨勢
任何數字功率控制器獲得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的圖形用戶界面（GUI）。許多功率設計工程師都很快認同需要數字控制器來提供全面的設計靈活性。通過可編程命令來實現靈活性，需要對軟件層、劃分、保護功能和命令分組進行謹慎周密的考慮。GUI必需直觀，操作簡單自然，最為重要的是，必須全天候工作。電源行業開始逐步向數字電源轉變。模擬控制器內存在著組合邏輯、時鐘、計數器和定時器等數字內容。隨著混合信號設計流程不斷進步，這有望大大提高數字和模擬元件之間關系的優化程度。根據目標應用的復雜情況，某些功能可能最好采用數字處理。而另一些功能更適合于模擬領域。大多數認識到數字電源價值的資深電源設計人員都將相應更新自己的設計技能，不管對采用時間點的看法如何不同，有一點是確定的：數字電源乃大勢所趨。
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