數位電源 Digital Power

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。

圖五

伺服器電源常使用在資料中心 ( Data Center )、遊戲伺服器 ( Game Server )、網通伺服器 ( Telecom Server )

伺服器的最大特點就是其強大的運算能力或是具備大量磁碟儲存空間的電腦,使其能在短時間內完成大量工作及負載大量的檔案資料儲存,並為大量使用者提供服務。

圖六

工業自動化 (Industrial Automation)

可應用於設備自動化、工廠管理、監控系統外,觸角更是延伸至生活自動化的應用,近幾年來的商業自動化、交通、醫療…等應用領域。

圖七

Renesas電源模組架構

通過使用數位電源模組晶片產品,憑藉數位控制和高可靠性,系統運行可得到優化,從而實現更低功耗和更長使用壽命。茂綸股份有限公司所代理的Renesas產品線,提供全面的數位和類比電源模組系統,以下為Renesas所提供的電源架構來滿足基礎設施系統的寬輸入電壓範圍和負載電流範圍要求。

圖八

圖九

參考文獻

[1] Renesas, www.renesas.com/tw/en

[2] Renesas,DC/DC Converters, https://www.renesas.com/tw/en/products/power-power-management/dc-dc-converters

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