数字电源崛起:从“不错概念”到“必不可少”

2017年08月17日 10:08    eechina
关键词: 数字电源
作者:贸泽电子 Schweber

仅仅还是几年前,“数字电源”还只是一个概念,仅有一些做了长期评估的原型,但很少有实际应用。而到2016年,我们看到数字电源已经成为高耗能应景场景如数据中心的标配了,如果没有数字电源,鉴于目前可用的空间、效率要求和热约束以及这些设施的其他复杂需求,要想以不同直流电路提供数百安培的电量是非常困难的。

数字电源在高耗能应用中大量普及有以下几个原因:

1、以较低的运营成本便可以收获高效率;热消耗低;更容易满足环保方面的监管要求。
2、它们可以满足处理器和FPGA具有挑战性及复杂的技术要求。
3、在运行期间,其灵活性高可以处理复杂的加电及省电测序场景。

通常,电源设计师(及许多用户)非常谨慎,这是他们在处理高电流电压和功率时所必需的,否则后果便是设备故障和人员安全问题。谨慎的用户倾向于有长期使用记录且使用周期跨十年、二十年甚至更久的可行产品,他们不希望仅仅只是出于“科技前沿”的拉风噱头便跟风订购。

出于这些及其他原因,早期有一些人不愿意接受基于固件的方法,但目前这种情况已经改变。由于高端数字电源的跟踪记录有可靠的数据做后盾,所以其他应用领域如工业系统,在更低的层次也可受益。获得的优势包括,功率从低负载到满载,效率大为改善,这就节省了能源,减少了组件的热应力,简化了冷却且增加了MTBF(平均故障间隔时间)。

科普一下“数字电源”的概念

其实电源或转换器的目标很简单:在输入电压或负载条件发生变化的情况下,以期望的电压值,提供稳定、受控的直流输出。这需要在DC / DC转换器中进行某种形式的闭环控制,基于实际输出电压的测量,与设定值进行比较,并实现基于反馈的校正,以迫使输出返回到设定值并保存。
This regulation has traditionally been implemented using a closed-loop negative-feedback with analog circuitry in a switching regulator, Figure 1. (The alternative, a low-dropout regulator, or LDO, is also an option, but only viable at fairly low power levels.) There are many standard architectures for these switchers, with a long list of additional enhancements to increase efficiency across the entire load range, boost performance and ensure consistent operation. These enhancements can become quite complicated and clever, and have impressive names such as SEPIC (single-ended primary-inductor converter).

这个规则传统上通过使用闭环负反馈来实现,并在开关调节器中使用模拟电路,见图1 (低压差稳压器LDO也是一个选择,但只有低功率时才可行)。这些转换器有许多标准的架构,有一系列附加增强项,可以在整个负载范围内提升效率、提高性能并确保一致性操作。这些增强项十分复杂和灵活,且具有一个让人印象深刻的名字,如SEPIC(单端主电感转换器)。

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图1:标准的模拟功率转换器使用了众所周知的闭环拓扑,即使输入和负载有变化,也可以维持规定的直流输出。

这些变量可能相当复杂,但它们都有一个缺点:缺乏操作参数实时设置的灵活性。例如,Intel/Xilinx VR13标准要求将额定输出电压从1.2V直接变更为0.9V,再回到“飞速写入”,而这是完全模拟供电无法完成的。这种自适应的电压缩放(AVS),根据处理器的时钟速度和工作负载,调整供电输出电压以满足处理器的最低要求,同时自动在处理器内补偿工艺和温度变化。要做到这一切,需要一个完全可编程的、复杂的、固件控制的转换器。

通过一个I / O端口和数字参数设置电路,便可以实现一些所需的更改。这就产生了一种混合供电,其具有内部模拟控制回路,但也有总体数字监控和一些供应状态报告,见图2。

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图2:增强的模拟控制器保留了基本的闭环设计,但允许通过数字端口(如PMBus、 I2C、SPI等)在外部控制下进行参数的数字设置。

全数字电源使用的是截然不同的内部架构。数字电源使用模拟/数字(A / D)转换器对关键的内部电压和电流进行数字化处理,而不是使用模拟电路甚至是数字监管来实现控制回路。转换后的值被专用的嵌入式处理器(DSP、FPGA)使用,该处理器执行封闭循环算法的代码。最后,通过数字/模拟(D / A)转换器,算法的结果将转换回模拟信号,并按需调整电压和电流,见图3。

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图3:全数字控制方法可以即刻对关键电压和电流进行数字化处理,然后使用固件驱动的处理器和算法来启动控制动作,这样就可以实现复杂的控制策略,以及按环境所需进行动态调整。

该控制算法基于固件,而不是硬件模拟电路,因此控制策略相当复杂。更好的改进方法是,单个处理器(如果足够强大的话)可以控制两个或多个独立的输出线路,并协调这些线路,以管理线路之间的输出级别、坡度和相对功率等因素。它还可以提供关于供应状态、条件和更改信息的详细报告和历史数据,因此故障可以被预见,而不是在发生之后才进行报告。

这里有两个案例将展示,数字设备如何以比数据中心更低的电流和电力需求来服务应用程序。来自CUI(图4)的NDM2Z-50是一种全数字DC / DC负载点(PoL)转换器,它的输入范围为4.5V到14V,可编程输出为0.6V到3.3V,电流高达50A(最大值为165 W)。它包括一个SMBus接口和可兼容PMBus™。尽管具有一个小的程序包(30.85 x 20.0 x8.2mm的横向安装版),它还提供了诸如电压跟踪、电压边缘、主动电流共享、参数捕获、电压/电流/温度监控以及可编程软启动和软停止等特性。它的数据表(参考文件1)包括各种显示静态和动态性能的图表。

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图4:CUI全数字DC / DC PoL转换器将提供高达50A的数据,且它也是效率更高或更低、灵活、可兼容且功能丰富的DC / DC转换器的一部分,而该转换器可以满足更大的应用需求。(图片来源:CUI Inc .)

总结

目前,许多电子系统的供电需求日益增加,即便是先进的模拟电源也不能满足需求,而是需要一种新的电源架构来控制。全数字电源因其灵活性、性能和适应性,将具有重大而切实的效益。虽然在概念和执行方面与传统基于模拟的供电截然不同,但数字电源设计日益成熟的,并正迅速扩展至其他应用。

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