利用數字控制技術(shù)改善功率密度和電源管理功能
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
圖3、4、5中的曲線(xiàn)分別為上述三種設計的效率與輸出電流的關(guān)系。每組數據都是在輸入電壓為12V，輸出電壓為3.3V以及環(huán)境溫度為25℃的條件下獲得的。比較20A的數字設計和18A的模擬設計，發(fā)現盡管數字模塊的尺寸小了許多，但數字設計在全部的負載范圍上的效率都得到了改善。在半負載點(diǎn)上，數字POL穩壓器的效率改善了1.1%（為93.8%），而在滿(mǎn)負載點(diǎn)上效率提高了1.2%(達到92.5%)。數字設計效率的改善主要歸功于輔助電路的減少、空閑時(shí)間控制以及更優(yōu)化的功率傳遞。
由于基準模擬POL穩壓器的特性是在12V的輸入電壓下獲得的，故在數字設計中也采用相同的輸入電壓以便比較。順便說(shuō)明，對于數字設計來(lái)說(shuō)，采用更低的輸入電壓時(shí)效率會(huì )更高。例如，當輸入電壓為9.6V時(shí)，在半負載點(diǎn)上效率又提高1%(達到94.8%)。關(guān)于這點(diǎn)在研究整體電源系統優(yōu)化時(shí)將是非常有趣的問(wèn)題。
40A的數字設計專(zhuān)為大電流作了優(yōu)化，這反映在圖5中15-30A范圍內的效率性能曲線(xiàn)上。當輸出電流低于10A時(shí)，它包括了18A模擬設計的可用工作范圍的絕大部分，其效率要比模擬POL穩壓器略微低一些，這是由于較高的開(kāi)關(guān)損耗所致。但在半負載點(diǎn)上(20A)，其效率達到93.7%，比相同輸出電流的模擬設計提高了2.4%。即便是在40A的滿(mǎn)負載點(diǎn)上，效率仍達91.9%，也比相應的模擬POL穩壓器高0.6%。故在所有關(guān)注的設計范圍內，40A數字設計的效率也優(yōu)于模擬設計。改善的原因歸結于所采用的元器件數量與20A設計一樣多。而當輸入電壓為9.6V時(shí)，40A設計的效率也能夠再提高1%。
盡管40A數字設計的效率比模擬POL穩壓器高且尺寸相當，但由于它的輸出功率和電流提高了一倍，其功耗還是比較大。從需要從BMPS上散發(fā)的熱量來(lái)看，這導致了較高的功率密度。先前模擬設計的尺寸受元器件封裝密度的限制，而這類(lèi)的數字設計的尺寸則主要受限于對BMPS進(jìn)行散熱的散熱器結構。也就是說(shuō)，如果采用傳統的封裝材料和冷卻通道，用這種尺寸的BMPS來(lái)產(chǎn)生40A電流，將需要額外地考慮最終用戶(hù)設備中的熱管理和環(huán)境溫度。
2. 封裝密度
封裝密度主要受效率的影響，這對最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)具有同等的重要性。下面將會(huì )提到，數字設計的元器件的減少，對所實(shí)現的高封裝密度貢獻很大。我們計算封裝密度時(shí)采用了兩種方法。第一種是單位面積電流密度，即POL穩壓器的電路板上每cm3所實(shí)現的輸出電流，單位為A/cm3。第二種則是傳統的功率密度，根據3.3VPOL穩壓器最大輸出功率來(lái)計算，單位是W/cm3。
對于20A的數字POL穩壓器來(lái)說(shuō)，其電流密度比參考模擬設計高289%，功率密度則提高了307%。而40A的數字POL穩壓器的兩種密度值分別提高了312%和330%。需要指出的另一點(diǎn)是，相對于模擬設計，20A的數字設計在電路板面積減少61%的同時(shí)，輸出電流還額外提高了2A。而對于40A的數字設計而言，輸出電流增加了22A(122%)，電路板面積卻減小了28%。
3. 元器件數量
所參考的模擬POL穩壓器總共采用了58個(gè)元器件，這里不包含連接器引腳，但PCB作為一個(gè)元件被包含在內。采用相同的計算規則，20A數字設計所用的元器件為24枚，而40A數字設計的元器件則為41枚。如上所述，數字設計中元器件數量的減少是導致功率密度提高的根本原因。元器件數量的減少，除了可以改善封裝之外，在未來(lái)利用數字控制的設計中，還有望在降低成本和提高可靠性方面發(fā)揮重要的積極作用。
4. 成本
由于PMH8918L是一個(gè)產(chǎn)品單元，所以說(shuō)模擬設計的成本結構非常清晰。而數字設計位于一個(gè)原型內且只采用部分元器件，例如數字控制芯片，這類(lèi)器件都是最近最新引進(jìn)的，因而還沒(méi)有一個(gè)完善的定價(jià)機制。進(jìn)一步說(shuō)，我們期望隨著(zhù)數字控制技術(shù)的普遍采用，一些專(zhuān)用的元器件價(jià)格將會(huì )下降。因此這里我們不提供具體的成本分析。但由于數字技術(shù)可能實(shí)現更高的集成度以及更高水平的電氣和封裝性能，我們堅信數字方案很快就會(huì )為絕大多數用戶(hù)提供非常高的價(jià)值。
5. 可靠性
對于原型數字設計目前還沒(méi)有詳細的可靠性計算。18A模擬設計所計算出來(lái)的MTBF為380萬(wàn)小時(shí)。在兩種數字設計中采用了與模擬設計中相同的元器件降額設計方法。在數字設計的某些方面，元器件數量的減少將會(huì )更好地補償電流的增加。通常，數字設計中的高集成度和較少的元器件內部互聯(lián)將預示著(zhù)具有更高的可靠性。
本文小結
通過(guò)本案例的研究，相對于模擬設計來(lái)說(shuō)，在POL穩壓器的數字控制功能方面可以得出以下幾個(gè)結論：
1. 數字控制穩壓器的通用電氣性能要等同于或者優(yōu)于模擬設計；
2. 對于同樣的輸出電流，數字設計的效率高于模擬設計。效率提高超過(guò)1%是可能的；
3. 在封裝密度方面數字設計具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。這樣，可以設計更小的BMPS，或者在標準的封裝內可以提高可用功率；
4. 與模擬POL穩壓器相比，數字設計可以大大地提高電流和功率密度，提高幅度可以達到289%-330%；
5. 隨著(zhù)40A數字設計的集成度的提高，散熱將超過(guò)器件面積而成為約束封裝的主要條件；
6. 數字設計大大地減少了元器件數量，20A數字設計減少了58%，而40A數字設計則減少了29%；
7. 雖然還無(wú)法提供詳細的成本分析，與模擬BMPS相比，數字設計有望能為用戶(hù)提供更突出的價(jià)值；
8. 由于元器件數量減少并提高了集成度，在進(jìn)行MTBF預測計算時(shí)，數字設計相對于模擬設計將具有更高的可靠性。
總的來(lái)說(shuō)，數字控制作為一項可行的技術(shù)，在無(wú)需OEM系統設計師增加額外設計工作量的條件下，能夠為最終用戶(hù)提供性能、成本、可靠性以及功率密度方面的改善。如果需要，還可以在不增加成本和封裝密度的條件下，為BMPS增加一個(gè)系統電源管理接口。
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