僅僅還是幾年前，數字電源還只是一個概念，僅有一些做了長期評估的原型，但很少有實際應用。而到2016年，我們看到數字電源已經成為高耗能應景場景如數據中心的標配了，如果沒有數字電源，鑒于目前可用的空間、效率要求和熱約束以及這些設施的其他復雜需求，要想以不同直流電路提供數百安培的電量是非常困難的。

數字電源在高耗能應用中大量普及有以下幾個原因：

1、以較低的運營成本便可以收獲高效率；熱消耗低；更容易滿足環保方面的監管要求。

2、它們可以滿足處理器和FpGA具有挑戰性及復雜的技術要求。

3、在運行期間，其靈活性高可以處理復雜的加電及省電測序場景。

通常，電源設計師（及許多用戶）非常謹慎，這是他們在處理高電流、電壓和功率時所必需的，否則后果便是設備故障和人員安全問題。謹慎的用戶傾向于有長期使用記錄且使用周期跨十年、二十年甚至更久的可行產品，他們不希望僅僅只是出于科技前沿的拉風噱頭便跟風訂購。

出于這些及其他原因，早期有一些人不愿意接受基于固件的方法，但目前這種情況已經改變。由于高端數字電源的跟蹤記錄有可靠的數據做后盾，所以其他應用領域如工業系統，在更低的層次也可受益。獲得的優勢包括，功率從低負載到滿載，效率大為改善，這就節省了能源，減少了組件的熱應力，簡化了冷卻且增加了MTBF（平均故障間隔時間）。

科普一下數字電源的概念

其實電源或轉換器的目標很簡單：在輸入電壓或負載條件發生變化的情況下，以期望的電壓值，提供穩定、受控的直流輸出。這需要在DC/DC轉換器中進行某種形式的閉環控制，基于實際輸出電壓的測量，與設定值進行比較，并實現基于反饋的校正，以迫使輸出返回到設定值并保存。

ThisregulaTIonhastradiTIonallybeenimplementedusingaclosed-loopnegaTIve-feedbackwithanalogcircuitryinaswitchingregulator，Figure1.（ThealternaTIve，alow-dropoutregulator，orLDO，isalsoanoption，butonlyviableatfairlylowpowerlevels.）Therearemanystandardarchitecturesfortheseswitchers，withalonglistofadditionalenhancementstoincreaseefficiencyacrosstheentireloadrange，boostperformanceandensureconsistentoperation.Theseenhancementscanbecomequitecomplicatedandclever，andhaveimpressivenamessuchasSEpIC（single-endedprimary-inductorconverter）。

這個規則傳統上通過使用閉環負反饋來實現，并在開關調節器中使用模擬電路，見圖1（低壓差穩壓器LDO也是一個選擇，但只有低功率時才可行）。這些轉換器有許多標準的架構，有一系列附加增強項，可以在整個負載范圍內提升效率、提高性能并確保一致性操作。這些增強項十分復雜和靈活，且具有一個讓人印象深刻的名字，如SEpIC（單端主電感轉換器）。

圖1：標準的模擬功率轉換器使用了眾所周知的閉環拓撲，即使輸入和負載有變化，也可以維持規定的直流輸出。

這些變量可能相當復雜，但它們都有一個缺點：缺乏操作參數實時設置的靈活性。例如，Intel/XilinxVR13標準要求將額定輸出電壓從1.2V直接變更為0.9V，再回到飛速寫入，而這是完全模擬供電無法完成的。這種自適應的電壓縮放（AVS），根據處理器的時鐘速度和工作負載，調整供電輸出電壓以滿足處理器的最低要求，同時自動在處理器內補償工藝和溫度變化。要做到這一切，需要一個完全可編程的、復雜的、固件控制的轉換器。

通過一個I/O端口和數字參數設置電路，便可以實現一些所需的更改。這就產生了一種混合供電，其具有內部模擬控制回路，但也有總體數字監控和一些供應狀態報告，見圖2。

圖2：增強的模擬控制器保留了基本的閉環設計，但允許通過數字端口（如pMBus、I2C、SpI等）在外部控制下進行參數的數字設置。

全數字電源使用的是截然不同的內部架構。數字電源使用模擬/數字（A/D）轉換器對關鍵的內部電壓和電流進行數字化處理，而不是使用模擬電路甚至是數字監管來實現控制回路。轉換后的值被專用的嵌入式處理器（DSp、FpGA）使用，該處理器執行封閉循環算法的代碼。最后，通過數字/模擬（D/A）轉換器，算法的結果將轉換回模擬信號，并按需調整電壓和電流，見圖3。

圖3：全數字控制方法可以即刻對關鍵電壓和電流進行數字化處理，然后使用固件驅動的處理器和算法來啟動控制動作，這樣就可以實現復雜的控制策略，以及按環境所需進行動態調整。

該控制算法基于固件，而不是硬件模擬電路，因此控制策略相當復雜。更好的改進方法是，單個處理器（如果足夠強大的話）可以控制兩個或多個獨立的輸出線路，并協調這些線路，以管理線路之間的輸出級別、坡度和相對功率等因素。它還可以提供關于供應狀態、條件和更改信息的詳細報告和歷史數據，因此故障可以被預見，而不是在發生之后才進行報告。

這里有兩個案例將展示，數字設備如何以比數據中心更低的電流和電力需求來服務應用程序。來自CUI（圖4）的NDM2Z-50是一種全數字DC/DC負載點（poL）轉換器，它的輸入范圍為4.5V到14V，可編程輸出為0.6V到3.3V，電流高達50A（最大值為165W）。它包括一個SMBus接口和可兼容pMBus™。盡管具有一個小的程序包（30.85x20.0x8.2mm的橫向安裝版），它還提供了諸如電壓跟蹤、電壓邊緣、主動電流共享、參數捕獲、電壓/電流/溫度監控以及可編程軟啟動和軟停止等特性。它的數據表（參考文件1）包括各種顯示靜態和動態性能的圖表。

圖4:CUI全數字DC/DCpoL轉換器將提供高達50A的數據，且它也是效率更高或更低、靈活、可兼容且功能豐富的DC/DC轉換器的一部分，而該轉換器可以滿足更大的應用需求。（圖片來源：CUIInc。）

總結

目前，許多電子系統的供電需求日益增加，即便是先進的模擬電源也不能滿足需求，而是需要一種新的電源架構來控制。全數字電源因其靈活性、性能和適應性，將具有重大而切實的效益。雖然在概念和執行方面與傳統基于模擬的供電截然不同，但數字電源設計日益成熟的，并正迅速擴展至其他應用。

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