2021-09-13

數位電源 Digital Power

隨著時代的進步，各類型電器需求的電能大幅增加；新世代電源的規格與應用也越來越複雜，傳統類比控制電源已無法滿足這些電源產品的規格與應用，而數位電源可以克服類比控制電源的問題。以下列出的各種產品應用主晶片的電源管理變得日益重要，從消費產品筆記型電腦到伺服器、網路交換機和工業電腦應用，各種現代電子設備都需要高效的電源管理解決方案。

現今的電源管理解決方案的關鍵要求包括：各種負載條件下的低功耗運行、佔據更少的電路板尺寸空間、高可靠性和寬輸入電壓範圍。這些要求推動著市場對於應用、高效、寬輸入電壓範圍、低靜態電流的開關穩壓器的需要。數位電源晶片同時具有數位電源和微型電源模組的優點。除具備靈活性、高集成度和高可靠性外，它們還有高效率功率轉換。

數位電源的優點

日益複雜但可靠的電源分配系統常常需要許多多組不同的電壓輸出，為最佳化這些系統在各種工作條件下的性能和降低總功耗，改變功率轉換器的電壓和控制其工作模式已成為基本要求。以數位方式管理功率轉換和功率輸送時序也成為高性能的基本要求。

通過智能電源管理來最大化系統性能。

數位電源晶片透過系統管理匯流排(System Management Bus, 縮寫為 SMBus)協議相互聯繫，其所使用的電源管理匯流排(Power Management Bus, 縮寫為PMBus)協議是使用數位與功率轉換系統進行溝通聯繫的標準協議。使用PMBus進行功率轉換可提供傳統電源系統沒有的靈活性與控制。

縮短系統產品的開發時間。

產品設計過程中有時需要變更設計，包括添加電源、增加電源上的電流或者對更快瞬態響應的要求。

降低系統物料（BOM）成本。

使用數位電源的情況，利用軟體即可實現許多系統管理和電源控制功能，無需使用附加模擬和電源控制。

何謂電源模組

如圖一所示為離散式電源系統的架構圖。離散式電源的構建需要大量外部元件，如PWM(脈波寬度調變Pulse-Width Modulation, 縮寫PWM)控制器、開關功率MOSFET、輸入電容器、輸出電容器和功率電感器。這些元件及其用法在每個設計中都可能不一樣。

圖一 Discrete Power Supply Block Diagram

圖二

電源模組是完整的DC/DC電源子系統，如圖二所示，可將離散式電源分散的各別元件整合到單一電源封裝模組裡，如圖三所示，電源模組裡整合了PWM控制器、功率MOSFET、電感器和補償網路，將原本佔據許多電路板空間的離散式元件，整合收歛到電源模組，也由於電壓輸出數目的增加和電流額定值的增加，電源子系統的設計變得更加具有挑戰性及彈性。

圖三 Power Module Implementation

電源模組的使用比較

瑞薩電子公司(Renesas Electronics Corportion)提供全面的數位和類比負載點電源模組系列產品，以滿足各類主晶片設計系統的需求。Renesas電源模組是完整的DC/DC(直流-直流轉換器，DC-to-DC converter）電源系統，數位電源是在類比控制切換式電源為設計的基礎上，使用微處理器取代類比控制，以進行可程式化的電源管理，再搭配軟體演算法進行數位控制電源供應系統，以實現類比控制切換式電源無法做到的電源控制、管理、監控與通信功能，並具有高度的靈活性，可保證各種輸入電壓和各種負載條件都能得到最好的轉換效率。Renesas所提供的數位電模組採用領先的電源技術，可縮短設計時間、降低客戶成本和節省電路板空間，來滿足現今資料中心、數據通信和電信基礎建設。

表一所示為傳統類比電源及新式數位電源的優缺點比較一覽表。

表一

常見數位電源的應用領域

5G(第五代行動通訊技術，5th Generation Mobile Networks或5th Generation Wireless Systems，簡稱5G)

通訊技術透過數位的整合 , 點對點的資料傳輸 , 大大的減少物理限制上的傳輸距離問題, 讓良好的電源設計帶來新的傳輸應用。

圖四

FPGA(現場可程式化邏輯閘陣列, Field Programmable Gate Array, 縮寫FPGA)

為現今各領域應用所不可或缺的核心晶片，如人工智慧，資料中心加速卡，網路交換器各網路通訊解碼應用等，FPGA以其彈性的可程式化邏輯陣列，滿足上述各應用領域的需求，也因為不同應用上，FPGA晶片所需的電源組數及功秏不盡相同，Renesas數位電源模組，可滿足FPGA晶片電路板中複雜的電源系統要求，也是整個電子系統的核，電源模組提供可監測和控制此電源系統中最重要的供電，支援核心供電區塊和輔助供電應用。