提升電子設備節能效率 數位化電源設計突飛猛進

高效能的數位式電源設計，已經在眾多電子產品上導入，藉由更精密的數位監控、調校設計，讓電源使用更具效率。TI

雲端運算(Cloud Computing)應用蓬勃發展，但雲設備伴隨著需要24-7 non-stop運行，電源設計若未能針對雲應用進行最佳化設計，勢必會因為無中斷的雲服務而徒增能源耗用成本，而目前較新穎的作法是搭配即時控制與軟體配置控制數位電源，達到兼具無中斷服務與節能效益...

環保與節能已經成為全球化的運動，針對需24小時不中斷的雲端設備來說，如何從電源供應、電源變換處理過程中進行有效節能，其間可透過數位控制技術達到的節能效益，會比一般電子設備可省下更多能源消耗，長期分析其成本效益，也可減少維運成本耗費。

尤其節能趨勢不斷催化，類比式電源已漸漸式微，取而代之的則是數位式交換電源。數位式電源系統可以利用新穎的電子控制，達到更精確的即時控制效益，而透過軟體搭配的資源配置功能，將可達到更有效的節約能源設計目的。

節能要求加溫 數位式電源設計漸熱門

在眾多交換式電源設計方案中，數位電源應用已成為熱門趨勢，多數的開發方案在進行時，可能會選擇延續現有的類比式設計，因為電源設計牽涉到EMI、認證與功率因素調校等繁複程序，多數設計方案會採取相對保守，能盡量以現有應用解決方案或套裝方案，就會優先採用已經過認證考驗的應用方案；除非客戶要求，多數產品設計基本上不會客製化電源供應設計方案。

實際上目前可用的數位電源設計方案，已經比傳統類比式可以提供更高的輸出性能，兩者的成本差距也持續拉近中，新一代的電源控制應用解決方案，已具備更優異的條件，可與需針對供電節能需求的設計產品，進行產品應用整合。

尤其Cloud Computing雲端相關應用網路服務，可以說是目前當紅的應用服務模式，網路內容或服務業者為了因應大量的用戶湧入，為確保達到最佳化的服務容量，大多會先直接選擇以擴充應用服務器數量、網路頻寬擴充形式，快速擴充服務與提升維運品質，但應用服務器數量增加也會連帶造成網路資料中心(IDC)的耗用能源激增，這對資料中心業者來說，多半會提出進駐設備節能要求進行管制，避免無限制設備擴充形成資料中心的耗能激增。

因應使用容量增加 設備擴充勢不可免

面對擴充設備與節能要求兩個互斥的問題下，網路服務業者必須思考雲端應用網通設備本身的節能設計方案，必須在長時間待命、穩定服務的同時，雲端應用相關服務設備也必須兼具高效節能的應用彈性，這也相對助長了數位電源的市場需求。

數位化的電源設計，通常分成帶數位介面的電源設計、與正統純數位控制電源兩大類。一般來說，帶數位溝通介面設計的數位式電源，基本上即為利用電源管理匯流排(PMBus)、I2C整合之模擬電源應用。

而帶數位介面的電源設計中的「數位介面」功能定義，其實在不同產業的要求不一，複雜度有相當程度的差異，光從電源系統反饋的電源系統監測資料觀察，就有包含設備溫度、電壓、電流等回傳電源供應狀態參數，而透過電源參數的取得，進行分析動態回饋調整類比調節器應用功能，功能雖然較受限制但也能達到一定程度的效益。

至於第二種數位式電源設計，即屬於純數位控制的控制電源設計方案，在純數位的控制電源方案中，電源本身即為一個系統，透過此系統可以讓用戶或電腦平台進行與電源調變有關的工作項目，整合的重點包含更高程度的控制調變能力、更高的能源轉換效率與更精密快速的電源監測與回饋功能，搭配整合型態的晶片解決方案進一步縮小電源系統的體積，同時實現以最小體積、最少元件數的前提達到電子設備的輕量化與體積縮小化要求。

數位電源設計方式多樣

其實數位化的電源設計方案相當多樣，因應不同的設備負載狀態而有不同選擇，一般可以分成利用數位信號處理器(DSP)、微控制器(MCU)、與採行現場可程式化邏輯陣列(FPGA)為控制核心進行數位化功能整合的電源設計方案。

而針對系統高能要求相對複雜的電源應用方案，多數會嘗試利用DSP或MCU來進行數位電源設計，這種設計方案開發時由電源工程師進行智慧核心的程式碼編寫，由於電源控制屬於相對需較高的程式撰寫品質，同時針對電源處理安全問題要求也相對較高，對於較高階的AC-DC電源設計通常必須透過DSP來進行整合。

而在MCU應用方面，由於MCU的功能設計也可以用於控制應用，即便MCU在使用與設計上相對較為靈活，可因應設計需求進行配置，但較少使用MCU來進行類比控制模組輸出調控，在高性能之電源系統的使用狀況也不常見。至於FPGA應用由於較著重在數位資料處理，若用於AC-DC轉換需要搭配合適的A/D轉換介面，使用上的靈活度有限。

AC-DC應用電源設計，會將控制器設置在線圈的高壓側(初級側)，但有些設計方案會因應需求設置在低壓側(二級側)，在AC-DC設計方案中需針對功率水準採較高複雜度控制設計方案，甚至AC-DC本來就有多種拓璞(全？半橋、正激？反激式)設計方式，在要求功率因數校正(PFC)功能前提下，即便開發與製造成本較高，仍會偏好採用較複雜的DSP設計方案，來實現電源系統設計所需之靈活性。

至於DC-DC電源設計中，電源工程師較關心的是電源的轉換效率和即時監測數據，並對於運行中的電源系統故障參數控制設計方案進行整合，因此可以導入較簡單的數位電源設計。

針對永不停機型態應用 數位電源可發揮節能效益

針對永不斷線型態的應用設備，電源節能要求更加殷切，在數位化電源設計的未來趨勢，將以利用可變驅動電壓(Variable Gate Drive；VGD)、動態相位調整(Dynamic Phase Control；DPC)等技術進行深度電源控制應用開發，令電源系統可在因應輕負載與重負載應用模式下，均可有效提升電源的利用效率，達到最佳化的節能需求。

VGD可變驅動電壓為使用電源系統內之MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)之控制，針對設備的負載狀態修正電源效率表現，尤其在驅動設備處於輕負載狀態，在MOSFET元件的耗能也相當重要，搭配偵測負載變化狀態、動態調校數位電源之驅動電壓變化，可有效提升整體電源系統之應用效率。

在DPC動態相數調整方面，數位化電源系統為利用單一相位效率的最佳化設定，以相位數之遞增或遞減調校，透過數位化機制將負載變動狀態對應相位動態調整，亦針對PID(Proportional-integral-differential)同步進行自動調整，確保數位電源系統因應不同負載狀態的運作穩定性。

尤其是數位化電源搭配多種設計解決方案，可以較傳統類比式電源系統，提供更多、更完善的控制應用功能，但實際上也代表著在開發數位化電源仍有許多問題需要解決。像是ADC(數位類比轉換器)就必須針對電源應用進行優化，而數位類比轉換器(DAC)應用模組、脈衝寬度調變控制(PWM)設計方案等，都需要先解決方案微縮設計、降低產品成本與加大處理輸出額定功率等設計問題。

不同數位化電源的設計方案，最大差異在矽智財(IP)的差異，尤其是類比模組的控制演算法、輸出能源轉換效率提升設計方案、強化即時偵測迴路的電源資訊取得正確性等分析能力方面核心技術，成為數位化電源設計方案良莠的比較關鍵。

數位化電源設計與類比式電源比較，不只在系統的性能表現更好，完整的電源控制功能也較類比式設計方案更完善。目前在成本要求較高的應用產品上已大量導入模擬式數位電源設計方案，而在高階設備應用方面，已大量使用純數位式的電源設計方案，且數位式電源設計方案已有朝向低階、消費型應用產品擴張的趨勢，從以往僅限於大型通訊設備或網路服務主機，開始漸漸延伸到一般電子設備的供電系統應用。