白話數字電源(圖)
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為何需要數字電源
我們知道，電子產品所需的電能本質上是模擬的。從輸出的形式來看，所有的電源也都是模擬的。所謂數字電源不過是指電源內部所使用的技術，即 PWM回路采用數字技術進行控制。那么為什么非要采用數字技術呢？據說數字電源具有如下優勢：所需外部元件少、可配置、成本低、效率高。從前兩項優勢來 看，數字電源顯然適合比較復雜的高端供電系統，因此，我們認為數字電源基本沒有可能完全取代傳統的模擬電源。對于大多數應用來說，簡單的模擬電源就足夠 了。
數字控制電路的性能和成本優勢體現在摩爾定律上，即數字電路的尺寸每18～24個月縮小一半。考慮新一代的集成電路制造成本比上一代高 10％～20％，數字電路的總成本每2～3年便會減少一半。相比之下，模擬電路的尺寸每4～8年才縮小30％。所以，理論上講，同樣性能的數字電源的成本 下降速度要比模擬電源快得多。如下圖所示，至2008年底，數字控制器的成本將低于模擬控制器。
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圖1 數字控制器的成本下降速度低于模擬控制器 本文引用地址：http://www.104case.com/article/201706/347927.htm |
據美國Darnell集團的預測，數字電源IC的市場將以每年36％的復合增長率增長。至2011年，全球數字電源IC（包括整壓回路控制器VR、非整壓回路控制器、功率因數校正、轉換管理IC和系統管理IC）的市場規模將達到8億美元。
數字電源的典型應用
前文提到，數字電源最適合較為復雜的高端電源和電源系統。數據中心供電是數字電源當前的熱點應用領域。
數據中心的服務器密度依然在不斷上升。目前，一個42U機架的總功率為25kW左右，而且正朝著40kW的方向邁進。據說，70％的數據中 心面臨空間、供電和冷卻的挑戰。數據中心的供電成本高昂，可以占到一些IT公司總預算的20％～25％，每個刀片服務器每年的運行成本甚至超出服務器本身 的成本。雖然數字電源技術不能解決服務器的耗電增長問題，但數字電源有望通過提供電高效率來緩解數據中心的供電和冷卻困境。
福布斯網站上刊登了一篇不太中立的文章，講述Power One公司和它的總裁Steve Goldman的數字電源成功之路。Power One曾經把一家大型服務器公司的供電效率從89％提高到93％，這樣每三年每臺服務器將節省電費1400美元，算下來等于三年白賺一臺電源。有必要指出 的是，美國各州的電費水平相差懸殊，因為各州的能源政策各不相同。估計這家客戶位于電費昂貴的地區，比如加利福尼亞州。這個幅度的效率提升能為中國的數據 中心客戶帶來多少效益，感興趣的讀者可以自己算一下。
數字電源的普及障礙
既然能給客戶帶來那么大的好處，那么數字電源應該像野火一樣迅速普及到世界各個角落的每個機房。但實際情況并非如此；采用數字電源的數據中心依然有限。Goldman指出了妨礙數字電源推廣的三大原因（或借口）。
首先，大型系統的更新換代周期較長。例如，一個大型交換機需要三、五年的時間來開發，服役期大概又是五年。如果客戶要采用一種新技術，他就 要徹底重新設計線路板。如果最后發現這種技術存在問題，客戶損失的將是整整一個產品周期的銷售額。雖然高端系統最需要數字電源，但由于客戶擔心潛在的巨大 風險，所以往往不敢嘗試這種新技術。
其次，電源管理技術負責人通常都是模擬技術出身。電源轉換從來都是模擬的，所以這個行業的大腕只熟悉模擬電源，他們在數字電源面前完全是生手。由于人們對于自己不熟悉的東西往往采取拒絕的態度，所以數字電源容易遭到冷落。
值得注意的是，在這一點上，中國的情況與西方相比有所不同。西方電子工程師的典型年齡在四、五十歲，他們的優點是經驗豐富，缺點是知識陳 舊、接受新事物的能力差。而中國工程師的典型年齡是25～30歲，經驗雖然不那么豐富，但對待新知識如饑似渴，更樂于接受新事物。所以，新技術在中國的傳 播阻力要小得多。基于此，那些技術創新型的公司應該在中國市場多花些力氣。
數字電源普及的最后障礙是客戶擔心找不到替代產品。因為目前數字電源仍處于發展初期，所以每個供應商的方案都很獨特，他們會為客戶定制線路板層面的供電結構，而這正是客戶所害怕的。
突破編程障礙
靈活性、可配置性是數字電源的特點，但這同時也意味著產品開發的復雜性，即開發過程中需要編程工作。前文提到，電源工程師大多是模擬技術出身，編程正是他們的弱項。數字電源如果能做到不需要編程，就會大大降低其技術門檻，普及速度就會大大加快。
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| 圖2 這個同步升壓轉換器中的典型DSC架構含有快速算術運算和控制電路 |
一些廠商注意到了這一市場需求，正在致力于開發或幫助工程師開發無需編程的數字電源。
Zilker Labs推出的ZL2005產品是無需編程的數字電源。其運行功能和設置均可通過簡單的引腳選擇、電阻選擇或通過板上串口加以配置，無需復雜的編程。此外，ZL2005 可使用業界標準PMBus命令集與其他PMBus設備或主機系統控制器進行通信。
Microchip公司的數字信號控制器（DSC）可提供數字電源控制環路所需功能，但不需要DSP編程，所以利用DSC向數字電源過渡比DSP更容易。
美國國家儀器公司（NI）的LabVIEW設計軟件是一個圖形化的軟件，用戶無需懂得VHDL編程語音也可以用LabVIEW來實現復雜的算法。NI以3UPXI總線電源為例，說明了如何可以利用LabVIEW來設計小尺寸、高效率、高智能的數字電源。
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| 圖3 PID算法可在LabVIEW中可實現，并在物理驗證時作為回路中的硬件運行 |
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