數(shù)字電源是以數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心的開關(guān)電源系統(tǒng)，通過數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)對外特性的控制、管理與監(jiān)測 [1]。其核心特征包括通信、數(shù)控和參數(shù)監(jiān)測功能，支持軟件編程調(diào)整電源參數(shù)，并整合電源管理功能優(yōu)化功率分配 [2]。相較于模擬電源，數(shù)字電源采用數(shù)字濾波、多環(huán)路控制等技術(shù)，具備高集成度、模塊化及非線性控制優(yōu)勢。該技術(shù)起源于模擬電源的數(shù)字化升級，早期通過數(shù)字接口實現(xiàn)基礎(chǔ)控制功能。2005年德州儀器推出UCD9240等專用芯片后，逐步形成驅(qū)動電路、PWM控制器與數(shù)字處理器協(xié)同的架構(gòu)體系。關(guān)鍵技術(shù)突破包括“整合數(shù)字電源”架構(gòu)優(yōu)化數(shù)模組件組合，以及單片集成化設(shè)計將PWM分辨力提升至150ps級。目前數(shù)字電源在負(fù)載均流、故障預(yù)測等功能上持續(xù)演進(jìn)，但需結(jié)合應(yīng)用場景平衡響應(yīng)速度與成本。

數(shù)字電源設(shè)計概念?是指利用數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)作為核心，通過數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)對電源輸出的控制、管理與監(jiān)測的電源設(shè)計方法。數(shù)字電源設(shè)計主要包括以下幾個方面：核心組件?：數(shù)字電源設(shè)計通常采用DSP、MCU或?qū)Ｓ脭?shù)字控制芯片作為核心組件，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)反饋和調(diào)節(jié)?1。?工作原理?：數(shù)字電源通過ADC采樣輸入/輸出信號，數(shù)字控制器運(yùn)行預(yù)設(shè)算法(如PID控制)生成PWM信號，再通過數(shù)字接口控制開關(guān)器件，從而實現(xiàn)精確的電壓和電流調(diào)節(jié)?1。?高精度和高穩(wěn)定性?：數(shù)字電源通過數(shù)字算法可以消除模擬元件漂移的影響，支持復(fù)雜的控制策略，具有高精度和高穩(wěn)定性?2。?靈活性和可編程性?：數(shù)字電源設(shè)計可以通過軟件編程調(diào)整控制參數(shù)，具有較高的靈活性和可編程性，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和負(fù)載需求?2。?智能化和遠(yuǎn)程控制?：數(shù)字電源具備通訊功能，可以通過TCP/IP、CAN總線、RS485等方式連接計算機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和智能化管理?2。?應(yīng)用場景?：數(shù)字電源設(shè)計在高端PC、個人工作站、數(shù)據(jù)中心等高性能計算設(shè)備中應(yīng)用廣泛，能夠滿足高效、穩(wěn)定和精確的電源管理需求?3。此外，數(shù)字電源也在通信行業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療行業(yè)、航空航天以及研究教育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?2。

數(shù)字電源和模擬電源都是用來為電子設(shè)備提供穩(wěn)定電壓和電流的電源設(shè)備。它們的主要區(qū)別在于工作原理與性能特點：數(shù)字電源采用數(shù)字信號來控制開關(guān)電源的開關(guān)狀態(tài)和頻率，并通過數(shù)字控制核心對電源輸出進(jìn)行控制和監(jiān)測;而模擬電源使用模擬信號來控制輸出電壓和電流，電路結(jié)構(gòu)簡單。數(shù)字電源通常具有多個輸出通道和多種工作模式，可以為多種不同的負(fù)載提供適宜的電源輸出，并支持多重保護(hù)和監(jiān)控功能;模擬電源通常只提供單一的輸出通道和基本的保護(hù)功能。數(shù)字電源具備通訊功能，可以通過TCP/IP、CAN總線、RS485等方式連接計算機(jī)，并通過軟件實現(xiàn)輸出的控制、監(jiān)測與管理;而模擬電源并不具備通訊功能。

數(shù)字電源具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和電子設(shè)備。同時，數(shù)字電源可以通過軟件升級來適應(yīng)未來的新技術(shù)和市場變化;而模擬電源的適應(yīng)性和兼容性相對較差，可能無法適應(yīng)不斷變化的電子設(shè)備和技術(shù)要求。數(shù)字電源的發(fā)展趨勢數(shù)字電源的特性，代表了其將變得更加智能化，可能與電腦系統(tǒng)進(jìn)行更深層次的交互，甚至縮小體積，集成到主板上。隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字電源有望實現(xiàn)全新的能源利用方式，開拓電源技術(shù)的無限可能性。任何 AC/DC 或 DC/DC 電源或穩(wěn)壓器的主要目標(biāo)是在輸入電壓或負(fù)載條件發(fā)生變化的情況下提供穩(wěn)定的 DC 輸出電壓。

就在不久之前，“數(shù)字電源”主要還是一個很少有商業(yè)裝置的概念。時代變了，這些電源現(xiàn)在已成為標(biāo)準(zhǔn)電源，并廣泛用于數(shù)據(jù)中心等電力密集型應(yīng)用。它們的特性使得在狹小空間內(nèi)提供數(shù)百安培的直流電軌成為可能，具有高效率以及受監(jiān)控和管理的性能。電源設(shè)計人員通常是一個謹(jǐn)慎的群體，因為他們在處理高電流、電壓和功率水平以及電源故障或故障對設(shè)備和人員造成的后果時必須如此。雖然早期不太愿意采用基于固件的數(shù)字電源方法，但隨著他們證明了自己，情況已經(jīng)發(fā)生了變化。它們的熱優(yōu)勢包括提高從低負(fù)載到滿負(fù)載的效率、減少對組件的壓力、簡化冷卻以及增加平均故障間隔時間。它們還通過實時報告其狀態(tài)、趨勢和操作以及它們的適應(yīng)和調(diào)整能力，帶來系統(tǒng)級優(yōu)勢。

任何 AC/DC 或 DC/DC 電源或穩(wěn)壓器的主要目標(biāo)是在輸入電壓或負(fù)載條件發(fā)生變化的情況下提供穩(wěn)定的 DC 輸出電壓。這樣做需要在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行某種形式的閉環(huán)控制，基于實際輸出電壓的測量、與設(shè)定點值的比較以及實施基于反饋的校正以強(qiáng)制輸出回到設(shè)定點并保持在那里。 每個供應(yīng)設(shè)計都涉及權(quán)衡和優(yōu)先事項;例如，電源是否應(yīng)該非常有效(》90%)但僅在較窄的負(fù)載范圍內(nèi)，還是應(yīng)該效率較低(60-80%)但在較寬的范圍內(nèi)?

模擬電源：電源調(diào)節(jié)傳統(tǒng)上是使用閉環(huán)負(fù)反饋和開關(guān)穩(wěn)壓器中的模擬電路來實現(xiàn)的，圖 1. (替代方案，低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 也是一種選擇，但主要適用于幾安培以下的負(fù)載。)這些切換器有許多標(biāo)準(zhǔn)、成熟的架構(gòu)，還有一長串額外的增強(qiáng)功能可以增加在整個負(fù)載范圍內(nèi)提高效率，提高性能并確保一致的運(yùn)行。這些增強(qiáng)功能可能變得非常復(fù)雜和巧妙，并且具有令人印象深刻的名稱，例如 SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)。它們使用某種形式的脈寬調(diào)制 (PWM)，其中控制器調(diào)制占空比以將輸出保持在所需的直流電壓，盡管線路/負(fù)載發(fā)生變化。輸出濾波器(未顯示)對脈沖斬波輸出進(jìn)行平滑處理，以產(chǎn)生幾乎無紋波的輸出。

盡管輸入和負(fù)載發(fā)生變化，標(biāo)準(zhǔn)模擬電源轉(zhuǎn)換器使用眾所周知的閉環(huán)拓?fù)鋪肀３址€(wěn)定的直流輸出。

這些開關(guān)電源拓?fù)淇梢宰兊孟喈?dāng)高效和復(fù)雜，但都有一個缺點：它們?nèi)狈崟r設(shè)置操作參數(shù)的靈活性。例如，英特爾/賽靈思 VR13 標(biāo)準(zhǔn)要求電源實現(xiàn)自適應(yīng)電壓縮放 (AVS)，根據(jù)處理器時鐘速度和負(fù)載動態(tài)地將其輸出電壓從 1.2 V 調(diào)整到 0.9 V，同時還補(bǔ)償處理器內(nèi)的工藝和溫度變化。通過軟件編程實現(xiàn)的用于電源控制算法的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬電路所能實現(xiàn)的硬控制算法，后者僅局限于PID控制。 DSP/MCU的應(yīng)用使得開關(guān)電源能夠用上各種現(xiàn)代控制算法 ，比如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等。這些先進(jìn)的控制算法大大的擴(kuò)展了數(shù)字電源的性能，豐富了其應(yīng)用場景。

除了通過軟件編程可以帶來多功能以及控制算法上的優(yōu)勢外，數(shù)字電源所采用的DSP/MCU往往還帶有豐富的通信外設(shè)。各 種接口的使用讓數(shù)字電源具備了通信能力 ，這大大擴(kuò)展了數(shù)字電源的應(yīng)用場景和功能，比如遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)測、在線升級軟件、多電源組網(wǎng)、集群管理、故障報警等等。這是純模擬電源完全不具備的。DSP/MCU在數(shù)字電源的應(yīng)用還催生了數(shù)字電源專用的通訊協(xié)議——PMBus(Power Management Bus，電源管理總線)，這是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議。通過定義傳輸和物理接口以及命令語言，即可促進(jìn)與電源轉(zhuǎn)換器或其他設(shè)備的通信。支持PMBus的芯片已經(jīng)出現(xiàn)在了很多大牌半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品庫中。