1.    引言

數位電源是以數位微控制器取代控制開關電源的類比控制 IC來運作的電源，常見於伺服器電源、充電樁、電競 PC 電源等本身功能複雜或性能要求較高的應用上，或是用來實現市面上尚未提供類比控制 IC 的新穎電源控制拓樸。

NXP 的 DSC 系列是使用 DSP 內核搭配 MCU 周邊，提供數位控制領域所需的各種功能，非常適合作為數位電源的控制 MCU 使用。本篇將以伺服器電源為例，介紹如何以 DSC 實現數位電源。

下面會先介紹介紹伺服器電源常見的功能，並說明如何以 DSC 來實現。

本篇的後續將有一系列文章，持續討論數位電源的設計、調適、優化方法。

2.    Server Power 常見功能需求

2.1    開關機時序控制 ( Timing Requirement )

為提供系統穩定的電源，伺服器電源訂有嚴格的開關機時序，其中對於每個事件之間的間隔都有詳細的規範，由於行為複雜，而且各家伺服器廠商，甚至同一家但不同機種之間對於時序的規格都略有差異，因此通常都會使用靈活度較高的 MCU 來控制。

在數位電源上，這些功能由控制 AC/DC 與 DC/DC 的兩顆 DSC 的 GPIO 功能來控制。一次側的 DSC 會偵測輸入電壓的狀態，並回報給二次側 DSC。二次側 DSC 則負責控制所有輸出電壓的行為和邏輯訊號的狀態。

2.2    峰值負載與保護功能 ( Peak Load & Protection )

由於伺服器通常一般時候都不以滿載工作，只在特定需求時會短時間全速運作。因此在訂定電源規格時，伺服器電源會需要提供峰值負載的輸出能力。伺服器廠商會定義滿載與峰值負載的功率，以及峰值負載可以持續工作的時間長度。而電源除了需要提供峰值負載外，也需要可以正確的保護自身不因過熱或過電流而損壞。

由於要同時滿足峰值負載與過流保護及短路保護，DSC 可以實現軟體與硬體式的 PWM 保護功能。常使用的功能如下 :

• Inter-Module Crossbar 模塊提供內部外設間互相自由連接的能力，很容易就能實現內部外設 ( Peripherals ) 之間的互相觸發。
• PWM Fault 功能可以接受內部與外部的邏輯訊號來觸發 PWM 立即保護，保護時的 PWM 可以設置為指定的 H / L 或是 Tri-State。當解除保護狀態後，可以設置在週期中的指定時間點自動或手動恢復。
• ADC Hi/Lo Limit 功能可以在 ADC 轉換數值高於或低於設定值時，觸發中斷實現軟體保護機制，或是提供內部 H / L 訊號使用硬體功能關閉 PWM 輸出。

2.3    冷冗餘與熱插拔功能 ( Cold Redundant & Hot swap )

伺服器電源通常採用冷冗餘作為備援與輕負載下的省電，在這樣的應用場景，會有兩台以上的電源並聯使用，而電源則具備了依據目前系統的總負載來控制同時運作的電源數量的功能。

2.4    風扇控制與轉速偵測 ( Fan Control & RPM Monitoring )

伺服器電源因功率密度高，通常具有極高轉速的散熱風扇來散熱。電源除了須偵測自身散熱風扇的轉速外，還須依不同的情況將風扇降載以達省電與提升效率的目的。

2.5    運行狀態監控與黑盒子紀錄 ( Monitoring & Black Box )

伺服器電源具有監控自身運作情況的功能，監控的範圍包含輸入的電壓與電流與是否穩定、輸出的電壓 / 電流 / 功率的實時偵測、環境與自身溫度、風扇轉速、運作時長、警報次數、通訊是否有異常等等，這些資訊有些是伺服器供應商要求，有些則是電源供應商在生產 / 售後服務所需，具體的項目與精準度要求則視的需求而定。

監控數據中有關運作情形的部分會被記錄於黑盒子功能中，使伺服器與電源供應商即使在電源發生突然斷電或故障損壞時，仍可以從黑盒子中分析狀況發生的原因。

2.6    邏輯訊號與通訊 ( Logic signal & Communication )

伺服器與伺服器電源之間通常透過幾個邏輯訊號與基於 I2C 的通訊協議 PMBus 來溝通。

邏輯訊號使伺服器可以快速得到電源的警報與輸出是否正常，並且控制主電源輸出的開啟或關閉。

PMBus 通訊則可以讀取電源的型號資訊、監控資料、警報詳細資訊等，並對電源進行細部控制，比如電壓調整、保護電流調整、保護反應時間調整、風扇控速等等。

通常伺服器電源至少會有以下幾個訊號用於伺服器與電源的溝通：

2.6.1     PSON

PSON 訊號由伺服器控制，電源則根據 PSON 訊號來決定主輸出開啟或關閉。

2.6.2     PWOK

PWOK 訊號由電源控制，用於指示自身主輸出是否已經正常，可以被伺服器使用。

2.6.3      PSAlert

PSAlert 訊號由電源控制，用於指示是否有任何異常發生。

2.6.4      PMBus

PMBus 的主裝置 ( Master ) 是伺服器，電源則是從裝置 ( Slave )。通訊皆由伺服器發起，並決定是讀取或寫入命令，再由電源回傳資料。PMBus 協議提供 256 個指令欄位，除了通用欄位外，各家伺服器對於電源要求的項目都有部分差異，須由伺服器供應商提供所需的指令表給電源供應商。

3.    使用 DSC 實現伺服器電源

由伺服器電源的常見功能需求可以知道，伺服器電源的行為複雜，且需要根據伺服器系統所需量身訂做功能，因此必須使用程式控制方式實現。常見的實現方式有兩種。一種是使用傳統的類比 IC 控制電源，並透過較簡單的 MCU 與控制電路控制電源行為，並處理監控資料與通訊功能；另一種則是完全採用運算功能較強的 MCU 來控制電源轉換、保護、監控與通訊功能。後者由於完全採用數位方式實現電源轉換的控制，因此常被稱為全數位電源或數位電源。

NXP 的 DSC 系列使用 DSP (DSP56800EX) 作為運算內核，搭配靈活性高且功能強大的周邊，如 EVTG、eflexPWM 等，非常適合作為伺服器電源的主控芯片。接下來會以實現伺服器電源的 DC-DC 級為例，說明如何以 DSC 實現全數位電源功能。

3.1    伺服器電源所使用到的 DSC 周邊功能

DSC 系列提供許多功能可以用來實現伺服器電源需求的周邊功能，常使用到的周邊功能如下：

• GPIO：邏輯訊號的輸入與輸出功能，用於控制其他 IC 或電路、一二次側 DSC 溝通或與伺服器溝通。
• ADC：將類比電壓轉為數位數值，用於電壓、電流、溫度等採樣電路的電壓值讀取。提供 PGA 放大電路、Offset 設置功能、ADC Hi/Lo Limit 中斷等功能。
• CMP：比較器可以判斷電壓是否大於 / 小於指定的數值，並對 DSC 內部輸出一個 H / L 訊號。可用於電源的保護或警報功能，提供比程式控制更為即時的反應速度。也可以搭配 EVTG 與 eflexPWM 使用，實現峰值電流模式的 PWM 控制。
• DAC：將數位值轉為類比電壓訊號，常用於電流控制模式的斜率補償產生、電流平衡功能實現、或是使用在電源參數調適上。
• XBAR：提供內部數位訊號的互相連接與訊號複製功能，用於周邊功能之間的訊號連接，可用於實現 PWM 觸發 ADC 轉換、CMP 觸發 PWM 保護、EVTG 提供 eflexPWM 互補對 PWM 參考訊號等各種功能實現。
• EVTG：具有將輸入信號進行邏輯閘處理與正反器功能的模組，提供 AND / OR / INVERT 的邏輯處理功能，並可以配置成 RS-Latch、JK-FF、T-FF、D-FF 等正反器。可靈活運用於電源控制上，搭配 CMP、EVTG 及 eflexPWM 組成硬體控制環路。
• eflexPWM：功能強大的 PWM 專用模組，用於電源控制的 PWM 輸出。每個時基有六個數位比較器，可以分別產生兩組 High / Low 在週期中任意位置的 PWM。每個模組還可以同時對內輸出兩組 PWM 波形與兩組觸發訊號，有八組可自由配置的 Fault 輸入。可以將輸入的 PWM 訊號自動生成帶死區的互補對 PWM。
• QTimer：一般功能的 Timer，常用於觸發訊號產生、PWM 脈寬偵測、簡單的 PWM 生成等。
• PIT：不具對外腳位的 Timer，用於生成中斷、計數或是內部訊號觸發源。
• QSCI：提供內部 MCU 或專用 IC 溝通用的 UART 通訊。
• I2C：提供外部 PMBus 用的 I2C 介面。
• CRC：可配置的 CRC 功能，用於通訊資料或內存的 CRC 檢查。
• DMA：提供資料搬移功能，常用於 ADC 數值讀取與通訊資料讀取。

3.2    伺服器電源的程式規劃

在實現數位電源控制時，為提升電源對於各種變化的響應速度，最好盡可能拉高 DSC 根據 ADC 讀取數值重新計算新的 PWM 設置的頻率。因此與 PWM 的控制演算法相關的程式最好放在與 PWM 連動的中斷程式中。此外，因為電源有很多異常情形是需要立即被處理的，因此一些對於反應速度有要求的保護功能也需要放在中斷中。背景運作的程式則要負責處理伺服器電源的其他功能。

以 100KHz的控制頻率來說，週期僅有 10us，若使用 100MHz 的 DSC ，且中斷程式的執行開銷占比為 75% ( 不考慮中斷進出的開銷 )，則最多只有 750 個指令週期可以使用。因此中斷中的程式需要盡可能的精簡，並且還要能滿足所需的功能。背景程式的執行時間通常較長，也有需要考慮執行時間的功能，因此中斷程式的執行開銷也不能夠過大。由以上的需求，規劃的程式分布如下：

4.    數位電源控制框圖

高功率 AC/DC 電源通常由兩級的轉換器組成，分別是將交流電轉換為高壓直流的 AC/DC 級，以及降壓到所需電壓地的隔離型 DC/DC 級。兩級轉換的架構可以提供法規所需的功率因數校正功能 ( PFC )，以及穩定的輸出與電源保持時間 ( Hold-up Time )。其功能如下 :

• AC/DC 級 : 又稱 PFC ( 功率因數校正 )，以帶有電流控制功能的升壓轉換器，控制輸入電流與輸入電壓同相位與震幅，達到功率因數校正的目的。PFC 的輸出電容會將升壓轉換器的輸出電壓濾波為直流，以供 DC/DC 級轉換使用。
• DC/DC 級數 : 透過隔離變壓器，將 PFC 的輸出電壓降壓低壓直流電壓，以提供系統使用。常用於伺服器電源上的 DC/DC 轉換器架構有 LLC 諧振轉換器 ( LLC ) 與相位移全橋轉換器 ( PSFB )，其中 LLC 又可分為半橋與全橋架構。

常見的 AC/DC 與 DC/DC 拓樸的控制框圖可以參考下方：

 

4.1    PFC 控制框圖

4.2    LLC 控制框圖

4.3    PSFB 控制框圖

5.    電源轉換控制

5.1    電源控制狀態機

主電源由關閉到開啟要經過軟啟動、電壓爬升的過程，才能夠進入一般的工作狀態。這部分以狀態機程式的方式來實現功能，狀態機可以視需求放在中斷或是背景程式中執行。

5.2    開關機控制流程

6.    總結

以上只是粗略介紹以 DSC 實現伺服器電源時的方法，後續的博文會有更詳細的章節描述在數位電源應用上的設計方法與功能實現方式。