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数字电源崛起:从“不错看法”到“必弗成少”

宣布时间:2017年08月17日 10:08    宣布者:eechina
要害词: 数字电源
作者:贸泽电子 Schweber

仅仅照样几年前,“数字电源”还只是一个看法,唯逐一些做了耐久评价的原型,但很少有现实应用。而到2016年,我们看到数字电源曾经成为高耗能应景场景如数据中央的标配了,假定没有数字电源,鉴于现在可用的空间、效力要求和热约束和这些行动措施的其他严重年夜需求,要想以不合直流电路供应数百安培的电量是异常艰辛的。

数字电源在高耗能应用中年夜量普及有以下几个启事:

1、以较低的运营资源便可以收获高效力;热消耗低;更容易知足环保方面的羁系请求。
2、它们可以知足处置赏罚赏罚器和FPGA具有寻衅性及严重年夜的手艺请求。
3、在运转时代,其无邪性高可以处置赏罚赏罚严重年夜的加电及省电测序场景。

通常,电源设计师(及许多用户)异常审慎,这是他们在处置赏罚赏罚高电流电压和功率时所必须的,否则效果就是装备误差和职员安然效果。审慎的用户偏向于有耐久应用纪录且应用周期跨十年、二十年以致更久的可行产物,他们不欲望仅仅只是出于“科技前沿”的拉风噱头便跟风订购。

出于这些及其他启事,早期有一些人不愿意吸收基于固件的措施,但现在这类情形曾经改变。由于高端数字电源的跟踪纪录有可靠的数据做后援,以是其他应用领域如工业系统,在更低的条理也可受益。取得的优势网罗,功率从低负载到满载,效力年夜为刷新,这就节俭了动力,增添了组件的热应力,简化了冷却且增添了MTBF(匀称误差距离时间)。

科普一下“数字电源”的看法

着实电源或转换器的目的很质朴:在输入电压或负载条件发生变换的情形下,以希冀的电压值,供应稳固、受控的直流输入。这须要在DC / DC转换器中阻拦某种形式的闭环控制,基于现实输入电压的丈量,与设定值阻拦较量,并完成基于反映的校订,以迫使输入前往到设定值并生涯。
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).

这个规则传统上经由历程应用闭环负反映来完成,并在开关调治器中应用模拟电路,见图1 (高压差稳压器LDO也是一个选择,但只需低功率时才可行)。这些转换器有许多尺度的架构,有一系列附加增强项,可以在一切负载规模内提升效力、前进性能并确保不合性操作。这些增强项很是严重年夜和无邪,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:尺度的模拟功率转换器应用了尽人皆知的闭环拓扑,纵然输入和负载有变换,也能够或许保持划定的直流输入。

这些变量能够相当严重年夜,但它们都有一个弱点:缺乏操作参数实时设置的无邪性。例如,Intel/Xilinx VR13尺度请求将特殊输入电压从1.2V直接厘革为0.9V,再回到“飞速写入”,而这是完全模拟供电没法完成的。这类自顺应的电延伸放(AVS),凭证处置赏罚赏罚器的时钟速率和使命负载,调剂供电输入电压以知足处置赏罚赏罚器的最低请求,同时自动在处置赏罚赏罚器内赔偿工艺和温度变换。要做到这一切,须要一个完全可编程的、严重年夜的、固件控制的转换器。

经由历程一个I / O端口和数字参数设置电路,便可以完成一些所需的更改。这就发生了一种混淆供电,其具有外部模拟控制回路,但也有全体数字监控和一些供应状态申报,见图2。

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图2:增强的模拟控制器生涯了基本的闭环设计,但允许经由历程数字端口(如PMBus、 I2C、SPI等)在外部控制下阻拦参数的数字设置。

全数字电源应用的是截然不合的外部架构。数字电源应用模拟/数字(A / D)转换器对要害的外部电压和电流阻拦数字化处置赏罚赏罚,而不是应用模拟电路以致是数字羁系来完成控制回路。转换后的值被公用的嵌入式处置赏罚赏罚器(DSP、FPGA)应用,该处置赏罚赏罚器推行关闭循环算法的代码。最后,经由历程数字/模拟(D / A)转换器,算法的效果将转换回模拟旌旗暗记,并按需调剂电压和电流,见图3。

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图3:全数字控制措施可以立时对要害电压和电流阻拦数字化处置赏罚赏罚,然后应用固件驱动的处置赏罚赏罚器和算法来启动控制行动,这样便可以完成严重年夜的控制战略,和按情形所需阻拦静态调剂。

该控制算法基于固件,而不是硬件模拟电路,是以控制战略相当严重年夜。更好的刷新措施是,单个处置赏罚赏罚器(假定足够强年夜的话)可以控制两个或多个自力的输入线路,并协调这些线路,以治理线路之间的输入级别、坡度和相对功率等因素。它还可以供应关于供应状态、条件和更改信息的详细申报和历史数据,是以误差可以被预感,而不是在发生以后才阻拦申报。

这里有两个案例将展示,数字装备若何以比数据中央更低的电流和电力需求来服务应用法式模范模范。来自CUI(图4)的NDM2Z-50是一种全数字DC / DC负载点(PoL)转换器,它的输入规模为4.5V到14V,可编程输入为0.6V到3.3V,电流高达50A(最年夜值为165 W)。它网罗一个SMBus接口和可兼容PMBus™。虽然具有一个小的法式模范模范包(30.85 x 20.0 x8.2mm的横向装配版),它还供应了诸如电压跟踪、电压边缘、自动电流共享、参数捕捉、电压/电流/温度监控和可编程软启动和软阻拦等特点。它的数据表(参考文件1)网罗种种显示静态和静态性能的图表。

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图4:CUI全数字DC / DC PoL转换器将供应高达50A的数据,且它也是效力更高或更低、无邪、可兼容且功效富厚的DC / DC转换器的一部门,而该转换器可以知足更年夜的应用需求。(图片泉源:CUI Inc .)

总结

现在,许多电子系统的供电需求日趋增添,即就是先进的模拟电源也不克不及知足需求,而是须要一种新的电源架构来控制。全数字电源因其无邪性、性能温柔应性,将具有严严重年夜而着实的效益。虽然在看法和推行方面与传统基于模拟的供电截然不合,但数字电源设计日趋成熟的,并正迅速扩年夜至其他应用。

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