一、前言
數位電源是基於類比電源架構，把類比訊號轉化為數位訊號後，再輸入到 MCU，利用MCU做電源迴路控制與電源管理，我們稱為數位化電源應用。
為什麼要做數位電源? 在這個節能趨勢的時代，伺服器電源應用要求更高的效率與更嚴格的規範，傳統的類比電源礙於硬體限制，有些規範可能較不容易達成。但以數位化的方式就比較容易做到。PFC ( Power factor correction , 功率因數校正 ) 數位電源應用就是把原本 AC to DC 功率因數校正利用 MCU來做。
功率因數( PF, Power Factor ) 是電源輸入功率的有效功率與視在功率的比值，簡單來說就是電流有效值佔總電流的比值，如果比值越接近1 就表示電力被有效的利用率越高。
功率因數 ( PF ) = 有效功率 / 視在功率
下圖為沒有做功率因數校正的交流電壓與電流，電流不是正弦波，電壓與電流相位有偏差。
下圖為有做功率因數校正的交流電壓與電流，電流修正為正弦波，電壓與電流相位接近。
PFC 傳統都是用類比元件來實現，所能調整的參數有限，但如果是用數位可程式化的方式來做的話就會變得很靈活。
二、如何實現數位電源的 PFC 控制
PFC 種類很多，以下整理幾個目前常見的 PFC 拓樸，並說明PFC 拓樸與 MCU 的關係 :
2.1 單相功率因數校正 ( Singe Phase PFC )
單相 PFC，如下圖所示，由一組開關 ( MOSFET )、電感、二極體構成升壓轉換器。交流電輸入經過橋式整流變直流電，當Q1 導通，電流流過L1 再流過Q1再流到地，對 L1 儲存能量。當Q1不導通時，電流由L1 經過 D1 再流到負載 RL並對電容C儲能。
在單相PFC轉換器上，數位的作法是MCU 會去偵測輸入電壓( Vac ) 與輸出電壓( VBus ) ，計算出參考電流Iref，再偵測shunt 電阻上的實際回授電流Iin，把Iref與Iin 相減得到的誤差值，再把誤差值丟進PI 控制器，算出PWM 應該開多少duty， 再由PWM 模組輸出控制MOSFET。通過控制PFC MOSFET的導通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化，同時透過MCU 內部的比較器也可以做到OVP ( Over Voltage Protect )、OCP ( Over Current Protect )、CBC ( Cycle By Cycle Limit ) 等等的保護。
Single Phase PFC 拓樸與 MCU 訊號關係圖 :
MCU 內部訊號控制架構圖 :
2.2 交錯式功率因數校正 ( Interleaved PFC )
交錯式 PFC，如下圖所示由兩組開關 ( MOSFET )、電感、二極體構成升壓轉換器。交流電輸入經過橋式整流變直流電，和單相 PFC 原理相同，只是變成兩組 180度反向交錯的 PWM 控制。交錯式PFC 因為兩個電感的高頻漣波電流互為反向，所以會互相抵消，減少升壓電感電流所導致的輸入漣波，而且將兩個升壓功率級交錯，開關損耗分散，每個開關上的負載減輕，就可以輸出更大的功率。
數位控制的作法如同單相功率因數校正，差異在輸入電流的部分變成透過兩個CT ( Current Transformer ) 來偵測兩路的電感電流，經由兩個電流PI 計算誤差後再透過各自的PWM 訊號控制MOSFET，同時可以經過軟體控制來達到兩路的電流平衡。
Interleaved PFC 拓樸與 MCU 訊號關係圖 :
MCU 內部訊號控架構 :
2.3 半無橋功率因數校正 ( Semi Bridgeless PFC )
半無橋 PFC ，如下圖所示是由兩組開關 ( MOSFET )、電感、二極體構成升壓轉換器。和 Interleaved的差異最主要就是減少電流路徑中的橋式整流元件，來降低二極體的損耗，得到更高的效率。
數位控制的做法與交錯式 PFC 類似。一樣偵測兩路的 CT ( Current Transformer ) 電感電流，但同一時間僅有 N 相或 L 相在做迴路控制。
Semi Bridgeless PFC 拓樸與 MCU 訊號關係圖 :
MCU 內部訊號控制架構 :
2.4 圖騰柱功率因數校正 ( Totem Pole PFC )
圖騰柱 PFC，由無橋式拓樸改良而來，減少電路元件，效率更高。Q1 與 Q2為快速臂，需要使用 GaN FET。Q3 與 Q4 為慢速臂，使用一般MOSFET。因為沒有橋式整流，而且少掉一組升壓電感的電路，所以能降低傳導損耗，效率有機會再提升。
數位控制的作法是MCU 偵測輸入電壓( Vac ) 與輸出電壓( VBus ) 計算出參考電流Iref，再偵測CT ( Current Transformer ) 上的電感電流Iin，把Iref 與Iin 相減得到的誤差值，經由電流PI 計算誤差後再透過PWM 訊號輸出控制快速臂GaN FET ( Q1, Q2 ) ，同時同步AC N、AC L 訊號來控制慢速臂MOSFET ( Q3, Q4 ) 來完成數位迴路控制。保護方式一樣透過MCU 內部的比較器來完成。
Totem Pole PFC 拓樸與 MCU 訊號關係圖 :
MCU 內部訊號控架構 :
三、數位電源在 PFC 上的優勢
現在的伺服器電源、PC 電源、通信電源等等功率越做越大，負載的輸出也越來越複雜，相關規範也越來越多，為了提升效率、增加通訊功能、安全規範等等的需求…。傳統的類比電源越來越難滿足需求。但如果用數位的方式，可利用 MCU 可程式化的控制，就會比類比更容易實現。
以下列出幾點數位電源在 PFC 上的優勢 :
3.1 輕鬆即時調適電源
調適類比電源時必需改變周邊電阻或電容後再重新開機測試，步驟繁雜。數位電源可以即時的修改軟體觀察結果來調適電源，這樣可省下很多時間。
3.2 設定多組迴路參數來滿足不同的條件
類比電源的 PI 補償參數只有一組，當遇到動態負載時很難補償。而數位電源就可以設定無限多組參數，根據不同的條件來選擇不同的設定。如下圖範例，輸入電壓 ( High line、Low line )，負載條件等等可設定多組 PID 參數。
3.3 Meter 功能
MCU 可以偵測電源的電壓/電流計算出功率，即時監控電源狀態。
3.4 通訊介面
MCU 內建 I2C/PMBus 功能與後臺主機溝通，也可用 UART 做一次側與二次側的溝通 ( 如 PFC OK、AC OK、PS ON/OFF 等等… )。
3.5 輕鬆設定 OVP、OCP、OTP 的保護點
MCU 內建比較器，透過軟體即可輕鬆調整任意保護點，無需外加硬體線路。
3.6 改善總諧波失真 ( Total Harmonic Distortion, THD )
用類比的方式 THD 值想要做到 5% 以下比較困難。利用數位方式，很容易做到 THD 值 1% 以下。
3.7 改善輕載時效率
類比電源在輕載時的效率較差，用數位就可以針對輕載狀況調適到 80% ~ 90% 的效率。
3.8 改善音頻
通常在切換頻率低於 20KHz ( 輕載、burst mode ) 時會產生人耳可聽見的噪音，類比不易調整切換頻率，數位可以任意改變頻率來改善音頻問題。