數位電源技術演進與設計應用趨勢
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為了在類比的電源供應系統上，設計出更精細、更複雜多樣化的電源管理演算法則，源自於雲端運算的伺服器、電信機台設備的數位電源技術，以DSP數位訊號控制器或MCU微控制器做為監控與輸出多樣化類比電壓的調整技術；即便其成本較高，系統業者也開始將它推廣並導入一般消費性電子產品，藉以開發出更多的節能控制與智慧綠能應用…
電源設計本質上是類比電路設計。以電源轉換器(Power Converter)來說，其主要功能是將輸入電源的型式轉換成負載所需要的電源型式，基本上由功率開關元件(功率電晶體、功率二極體)、電能儲存與濾波元件(如電感器、電容器、變壓器)、檢測與控制元件所組成，還是要用MOSFET、升降壓轉換器、ADC、DAC等類比元件。
所謂的數位電源，是指在類比的電源設計基礎上，利用數位訊號處理器(DSP)、微控制器(MCU)，甚至可程式邏輯閘(FPGA)來進行可程式化的電源管理。
採用DSP、MCU或FPGA設計的數位電源，可以搭配相對複雜的演算法來管理或控制整個電源供應系統，當電源的負載輸出非常複雜時，採用數位電源比傳統類比電源更有優勢，也由於增加額外的DSP、MCU或FPGA，加上晶片必須內建(或外搭)一顆EEPROM甚至Flash記憶體來儲存相關電源？電壓參數，使得其成本會略高於全類比的電源供應器。
數位電源技術，一開始是從伺服器、電信機台設備等系統開始普及，在節能趨勢催化下，數位電源已打進PC和通訊領域等主流市場，並逐漸滲透至其他電子領域，由於數位電源可減少週邊元件數量，並擁有更優異的即時控制與軟體配置功能，甚至在半導體混合訊號製程、SoC設計趨勢及異質性元件(Heterogeneous)整合的潮流下，不少微控制器、應用處理器或PC的處理器，本身已內建極為優異的數位電源控制功能。將逐漸接替類比電源的地位，快速擴大市場滲透率。
數位電源的定義與設計類型
數位電源定義上大致可分為兩大類：一種是僅具備對外數位介面溝通的電源設計，例如像是電源管理匯流排(PMBus)和I2C等的模擬數位電源解決方案。其提供的數位介面功能，會因產業需求而異，從報告基本的電壓、電流、溫度等監測資料狀態，到能夠改變內部類比電源電路的輸出功能。
而這類產品通常具有電壓模式、電流模式或其他模式的類比鎖相迴路功能；透過電源參數的取得，進行分析並且動態回饋調整類比電源輸出，雖然功能上比較受到侷限，但仍比以往傳統類比電源電路還能提供一定程度的效益。
而第二種正統的純數位控制電源，電源本身即為一個由DSP、MCU或FPGA等做自主控制的數位系統，從AC-DC、DC-DC及DC-AC等轉換輸出，進行像電壓脈衝調變(Pulse Width Modulation；PWM)、功因參數修正(Power Factor Correction；PFC)或其它更複雜的電壓、電源輸出的調整方式。
而純數位電源的設計方式，可以再進一步區分成3種類型：1.採用數位訊號處理器(DSP)設計的數位電源方案。2.採微控制器(MCU)為核心的數位電源方案。3.採用可程式化邏輯閘陣列(FPGA)設計的數位電源方案。這種純數位電源電路的設計，企圖以具有競爭力的價格實現更高的控制、效率和遙測水準。
通常電源系統功能愈複雜，採用DSP或MCU的可能性就愈高。此類設計要求電源工程師利用程式開發工具套件來開發、撰寫高品質的電源控制程式，並針對不同的DSP或MCU晶片核心型號去編譯、產生可執行的執行碼。像AC-DC應用電源設計，一般會將控制器設置在線圈的高壓側，但有些設計方案會因應需求設置在低壓側，且依據功率水準採較高複雜度的控制設計方案。
若再考量AC-DC本來就有多種拓璞(全橋接、半橋接、正激？反激式)的設計方式，對功率因數校正(Power Factor Correction；PFC)需求較高的設計前提，廠商多半會偏好採用較複雜的DSP設計方案，來實現數位電源系統設計所需之靈活性。
在一般的DC-DC直流轉換應用上，電源工程師比較關心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的故障參數控制方案進行整合，以MCU晶片所設計的數位電源方案，可以用較低成本，提供出比FPGA系統還更多的靈活調控功能，因此MCU較常見於DC-DC的電源設計應用。
至於FPGA的數位電源，比較偏向於DC-DC以及著重在數位資料處理方面的應用，若要設計於AC-DC轉換，則反而需要另外搭配合適的A/D類比轉數位的轉換介面元件，整個系統使用上的靈活度比教受到侷限。
數位電源解決方案也提出一些像是可變驅動電壓(Variable Gate Drive；VGD)、動態相位調整(Dynamic Phase Control；DPC)等技術。VGD可變驅動電壓技術為針對MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)功率晶體元件的之控制技術，並針對設備的負載狀態持續修正電源效率表現。當驅動設備處於輕負載狀態，MOSFET功率晶體元件本身的耗能也是關鍵；若能偵測負載變化狀態，並即時將數位電源本身使用的工作電壓適度調降，能更進一步提升整體電源系統之應用效率。
至於DPC方面，過去數位化電源系統僅針對單一相位(Single Phase)進行電源轉換效率的最佳化設定，而DPC能針對目前所使用到的交流電相位數，依照數位化機制將負載變動狀態所對應相位，進行功率轉換的動態調整；亦針對位置積分反饋(Proportional integral differential；PID)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。
系統業者逐漸導入數位電源的設計
過去因考量會牽涉到EMI、認證與功率因素調校等繁複程序，除非客戶指定要求，不然在多數產品特別是電源設計的部分，選擇策略上相對保守，會盡可能選擇延續現有的類比式電源設計，以現有認證考驗的應用解決方案來優先採用。不過當前廠商所提供的數位電源設計方案，不僅較傳統類比電源提供更高的輸出性能，成本差距也持續拉近中。
雲端運算(Cloud Computing)蓬勃發展之際，伺服器的建置導致耗電量的激增，已促使資料中心業者，從一開始機台設備的選購上，對節能規格要求更加嚴格；對需24小時永不停機的雲端設備來說，數位化電源搭配多種設計解決方案，較傳統類比式電源系統，提供更多、更完善的控制應用功能；透過數位控制技術達到的長時間節能效益，足以減少營運成本的耗費並加速投資的回收。
而現今用戶對手機、平板電腦、網通設備，到筆電、桌機等用戶端設備，開始追求長時間待機能力，加上電價的調漲，更讓消費者對於裝置節能更加重視。裝置必需隨時偵測在輕度或無工作負載下，能快速的進入睡眠節電、從睡眠模式甦醒回來的種種要求，傳統類比電源已不足以因應；因此由數位電源所帶動電源設計架構翻新，打造出符合消費者需求及快速工作又極盡省電的裝置，也能更壯大數位電源設計與應用的普及化。
不過在開發數位電源上，仍會面臨到像需搭配優化的類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)模組，如何選用脈衝寬度調變(PWM)控制晶片等挑戰。設計差異在於上游數位矽智財電路(IP)與演法的選擇，如何在方案微縮設計、降低產品成本與加大處理輸出額定功率等設計問題，以實現最佳成本、尺寸和數位電源的輸出功率，成為各數位電源方案供應商爭取系統設計業者的重要關鍵。
