大電源是工程人員進行FPGA或處理器設計時的必需考量的議題。除了電壓軌須正確調節以免過熱外，可能需要其他功能。到底有哪些方法可用來提供負載點電源？為什麼工程人員需要數位電源選項？

數位 POL 電源機制

控制器可透過取樣電壓/電流調節輸出電壓，以實作數位控制迴路，並且將高解析度PWM訊號輸出至功率級。功率級有FET驅動器、FET、功率電感及電容，並提供控制器的電流/電壓溫度回授訊號（如圖一）。

《圖一 數位電源機制》

功率級

實作功率級的最簡單方式，是使用PTD08D210的精簡型（15 mm x 28 mm）數位電源模組，其中的兩個輸出可配置為2個10A電壓軌，或串列為1個20A電壓軌。另一個設計功率級的方式，是使用數位FET驅動器UCD7232搭配極高效率NexFET MOSFET，例如雙通道CSD86350Q5D或CSD86330Q3D。

使用離散式IC實作電壓軌的原因包括：（1）能夠從較低輸入電壓轉換，最低可達 2.2Vin；（2）可自行選擇電感並將高度減至最低程度；（3）可設計特殊輸出電流的電壓軌。

Fusion GUI

Fusion Digital Power Designer GUI 是由TI提供免費下載的功能軟體，可用來設定控制器的所有層面。Fusion GUI 的Vout 配置視窗，定序的圖形表示，可呈現輸入的參數數字達到何種效果（請見圖二）。

《圖二 Fusion GUI 的 Vout 配置視窗》

評估電路板

《圖三 UCD9246 評估電路板》

圖三的UCD9246評估電路板，顯示設計人員能夠在短時間內產出多個高電流電壓軌，電路板連接至 PC，並且使用Fusion GUI予以配置。

數位電源解決方案的九種功能

設計人員可以考量成本效益而選擇特定的解決方案，而非僅考量解決方案是否較新，或是否屬於數位解決方案等因素。以下將探討UCD92xx數位電源解決方案的效益，並解說該解決方案與Fusion GUI的關係：

@小標1. 電壓軌啟動/關閉的定序

通常某些電壓軌必須位於其他電壓軌之前，尤其是在驅動FPGA或處理器時。即使沒有強制規定，仍然可以進行定序，以確保設計進入製造階段的可重複性。使用定序的另一項優點是降低流入電流。

Fusion GUI能夠設定各個電壓軌與其他電壓軌的相依性，設定某個電壓軌在另一個電壓軌達到調節時啟動，或在另一個電壓軌未達到調節時停止。

使用UCD92xx控制器的可程式延遲及上升時間，可進行多個電壓軌的計時啟動。UCD92xx 裝置也可設定為啟用序列啟動（或停止；stopping）電壓軌及/或比例式啟動，其中兩個電壓軌同時進行調節。另外也支援追蹤啟動電壓軌。

2. 非揮發性記憶體的監控及事件記錄（event-logging）

UCD92xx控制可針對各個電壓軌設定四種層級：過壓/欠壓警告及過壓/欠壓故障。控制器可設定在電壓軌超出使用者定義的調節時採取動作，例如關閉其他電壓軌，或自動重新啟動。功率級也監控各相位的電流並回報，如果使用數位功率級模組，可監控輸入電壓及功率級溫度。使用者可設定過流/欠流警告、過壓/欠壓警告、過熱警告及故障臨界值。

3. 零件數減少

使用數位電源解決方案，能夠以一個IC控制多軌多相電源供應。由於時序是以數位設定，因此沒有任何時序電容或電阻。補償迴路在數位領域中，因此沒有外部被動元件設定極點及零點。同一個 IC也提供其他功能，例如監控及定序功能。

4. 數位變更 Vout及Vout邊限

數位電源解決方案以數位方式控制各軌的Vout，表示主機處理器可透過 PMBus 介面，將特定電壓軌新的Vout值，寫入數位控制器。UCD92xx系列的UCD9222及UCD9224等控制器也有多位元VID（電壓識別l）介面，可供用電裝置動態調整所供應的電壓。

邊限是指上下定量調整Vout，以測試整體系統設計的穩定度，是否達到各軌的設定點公差，且受到控制器充分支援。

5. 高電流的輸出平行及輕載的相位增減

通常需要讓多組MOSFET半橋電路及電感電路平行。在傳導耗損嚴重的滿載狀況下，多相轉換器的效率高於單相解決方案。使用多相的另一項優點，是增加電源轉換的表面區域，以改善散熱性及低配置解決方案。

如果相位的切換動作交錯，即可提升有效的切換頻率，並降低輸出及輸入漣波電壓，因此可減少電容數。在切換耗損嚴重的滿載下，可設定UCD92xx控制器自動關閉，不需要的功率級。這稱為相位增減，可增加輕載效率。

6. 設定迴路補償或使用自動調整

自動調整是Fusion GUI的實用功能，可設計模組化，或使用者定義功率級的極點/零點補償。另外也可使用非線性控制。例如，將穩定狀態條件下的增益降低，可使得輸出的抖動雜訊減至最少，但是，如果誤差超過一定程度，然後切換至高增益，則能夠使轉換器的輸出更快回復至設定點。這表示回應負載暫態的Vout干擾程度最低。

自動ID是UCD9246的另一項重要功能，可將正弦波注入控制迴路，並測量迴路中其他點的系統回應，讓UCD9246測量自身的封閉迴路傳輸功能。

7. 切換頻率同步

在某些應用中，可以使一個或多個控制器的切換頻率同步為共同時脈輸入，而且這些控制器支援此功能。

8. 預偏壓啟動

預偏壓（pre-bias）是透過其他電壓源寄生充電至一定程度的未啟用電壓軌（例如核心電壓)上已經存在的電壓。若不妥善管理，則啟用核心電壓時，大量電流會流經同步MOSFET 而造成損毀。

為避免這種情況發生，控制器可實作封閉迴路啟動功能，使用Vout的預偏壓作為該功能的輸入。因此啟用電壓軌時，電流即可平順穩定上升。

9. 不需要硬體變更

支援最後階段變更及新客戶需求運轉，完全不需要硬體變更。有時候，規格需要最後階段需求或變更。由於韌體控制較多電源機制，因此不需要電路板運轉即可進行修改。

---作者為德州儀器銷售應用工程師---