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系統複雜度升級 數位電源讓供電難題迎刃而解
省空間、低成本、快上市

【作者: 王岫晨】   2018年11月28日 星期三

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從智慧手機的開發、到伺服器系統與無線基地台,數位電源管理與控制可提供整體電源系統更為即時的智慧能力,開發人員也因此能夠建構出具備環境自適應功能,以及效率最佳化的電源供應系統。數位電源具備更高的智慧化能力,可以自動補償負載與系統溫度的變化,透過自適應停滯時間的控制,可達到節能的效果。而動態電壓調節則可實現系統效能的最佳化,並在各種可能或已故障的狀況下,提供更安全的運作效能與更強大的保護能力。



圖1 : 採用數位電源模組,系統設計人員可以節省電路板空間,來增加更多功能性電路。
圖1 : 採用數位電源模組,系統設計人員可以節省電路板空間,來增加更多功能性電路。

電源模組其實就是將PWM控制器、電感、功率MOSFET和其他被動元件等,整合到一個小型的封裝中,來達到高效率的電源轉換目的。由於並不需要過多的輸入與輸出元件即可建構出完整的電源供應系統,這也正是電源模組可以簡化電源設計的主因。



圖2 : 降低系統功耗意味著可以減少散熱元件的設置,並空出更多的空間。
圖2 : 降低系統功耗意味著可以減少散熱元件的設置,並空出更多的空間。

透過使用尺寸更精簡的電源模組來為電子PCB板上的各種元件供電,設計人員可以開發出更小巧的電子系統,或者在相同尺寸的系統中加入更多的功能。由於系統開發人員可以免去複雜的電源供電設計,將更多時間專注於提升產品價值以及系統效能,因此更可以加速產品開發的上市時程。


至於數位電源模組,則兼具了數位電源的彈性,以及電源模組的優勢,因此數位電源模組具備了高整合度、高靈活性與高可靠度等特色,並使得各種高度成長的應用領域開始紛紛轉向採用效率更高的數位電源模組。


數位電源的優勢

許多複雜度高且又需求高可靠度的配電系統,例如數據伺服器、網路傳輸與基地台等,通常都需要處理許多電壓通道,這些電壓通道必須能對其他的通道進行排序與追蹤,才可以正確處理來自系統中包括微處理器、微控制器、ASIC、FPGA等邏輯IC的數位訊號。


為了在各種不同的操作環境下,都能將系統效能發揮到最大化,並讓總功耗降到最低,改變電壓與控制功率轉換器的操作模式已經成為基本的要求。因此,數位化的電源轉換和電源傳輸功能,對於任何高性能系統來說,都至關重要。


讓智能化電源管理系統的性能最大化

數位電源是數據通信以及電信基礎設施必要的供電方式,原因在於數位電源能夠實現最佳化的系統效能、縮短產品開發時間、降低成本並提高產品壽命,並可在相同空間內實現更高整合度的系統設計。


實現智能化電源管理 最佳化系統性能

數位電源IC使用了電源管理介面PMBus協定,並透過系統管理介面SMBus來進行溝通,該協定是使用數位通信介面與電源轉換系統之間彼此通信的標準協議。也因此,使用支援SMBus和PMBus的設備來進行電源轉換,可提供傳統類比電源系統所難以實現的靈活性和控制姓。透過數位電源設計設計,就可以利用支援PMBus協議的I2C通信介面,並透過主控制器來輕鬆管理並調整輸出的電壓值、電源排序和多個電壓通道之間的同步。


此外,對於系統監控,數位電源解決方案也提供了許多種針對故障發生時的反應方法,可在電子產品的整個生命週期內,配置並調整過店流和欠電流、過電壓與欠電壓、過溫故障和警告閾值。如此一來,透過數位電源系統,就可以監控系統工作溫度,以動態調節冷卻風扇來降低系統整體功耗。


縮短系統開發時間

產品設計過程中,經歷每個不同階段,都可能會發生設計上的變化,包括增加電源通道,而每個電源通道上的電流可能增加,或者需要更嚴格的暫態響應。通常這會需要重新設計配電系統,但是如果採用了數位電源,就可以使用通用的SMBus標準,來輕鬆地將新的電壓通道增加到電源管理系統之中。增加的新通道也可整合到電壓監控、排序、裕量和故障檢測方案中。新通道的數位電源IC具備專有的SMBus位址。而新增的額外電壓通道,也無需重新編程或添加更多獨立的電源管理IC。



圖3 : 數位電源讓系統整體的物料成本可以大幅降低。
圖3 : 數位電源讓系統整體的物料成本可以大幅降低。

數位電源使系統設計人員能夠縮短電源設計時間,將更多心力專注於設計系統的關鍵特性和功能,進而縮短產品開發時間和研發成本。由於新產品的上市時間更快,因此獲得市場商機的機會也同時提高。


降低系統成本並提高可靠度

利用數位電源,許多的系統管理和電源控制功能,都可以透過韌體的方式來加以實現,而不需使用額外的類比元件或電源控制IC來達成。系統設計人員可以為每個電壓通道選用相同的元件,並且可以更改元件的操作方式,而不需要透過昂貴的硬體變更方式來達到目的。這樣一來,系統整體的物料成本就可大幅降低。利用更少的元件,加上全面數位化的管理保護功能,整體系統更可以擁有更高的可靠性和更長的使用壽命。


更高整合度的系統設計

市場對於對高速數據、語音和視訊傳輸的需求不斷成長,促使數據通信和電信服務提供商利用更多功能更快,且更可靠的解決方案來升級其網路設備。然而儘管傳輸速度與系統功能增加了,但系統整體可用的空間卻依然有限。這意味著系統設計人員需要在電路板上增加更多功能性的電路,並減少電源供應IC所佔用的面積。利用數位電源,就可以使用韌體來輕鬆實現許多電源監控和排序控制功能。如此一來,不只可以減少供電系統的電路板佔位面積,並且可以將更多功能性IC整合到同一電路板上。


結語

支援PMBus的數位電源模組,能使高效能、高整合度與高智慧化的電源設計變得更為簡易。透過採用數位電源模組,系統設計人員可以節省電路板空間,來增加更多功能性的電路,除了可以縮短產品開發時間、降低研發成本之外,還能快速將新產品推向市場。而藉由數位控制的便利性以及高可靠性,更可以最佳化系統的操作,來實現更低的功耗,以及更長的使用壽命。


[從MCU看數位電源的優勢]


從系統層級來看電源系統的發展,礙於技術的侷限性,所以在設計上幾乎都採用類比電路的方式,儘管這種作法蘊涵了大量的類比電路知識與布局經驗,優異的類比電路設計,也能看出系統設計人員的能力高低,但最大的問題在於需要耗費龐大的時間與物力,舉例來說,系統設計人員在量測訊號上也必須在很多不同的訊號節點進行量測,以確認訊號不受干擾,在受干擾的情況下,如何解決干擾問題,也是一大重點。


但隨著時間推移,產品推出的時程日漸被嚴重壓縮,傳統的類比電路設計無法兼顧時間與品質,取而代之的,便是數位電源設計概念。


透過MPU或是MCU控制驅動晶片,針對不同電源負載提供所需要的電壓與電流,在設計的過程中,就能減輕不少在類比電路布局的負擔,另一方面,MPU與MCU在開發工具上,也大多採用了GUI的概念,對於電源設計的便利度也能大幅提升,對於設計經驗較少的工程人員來說,無疑是減輕設計時程上的負擔。


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