數(shù)字控制技術(shù)：改善功率密度及電源管理功能的高招

在一個電源系統(tǒng)中有許多地方可以采用數(shù)字技術(shù)，一個是電源內(nèi)部電路本身，還有就是在系統(tǒng)級實現(xiàn)功率管理和監(jiān)控功能[4]。本文將針對第一種情況進(jìn)行詳細(xì)討論。文中比較了板載電源(BMPS)的內(nèi)部控制功能采用數(shù)字技術(shù)和更傳統(tǒng)的模擬方法的系統(tǒng)級實現(xiàn)效果。對于比較中所提到的每一個方案，BMPS的最終用戶都可以采用傳統(tǒng)的方式來使用器件，而無需額外的系統(tǒng)級數(shù)字技術(shù)。比較依賴了實際的案例研究，利用了實際的產(chǎn)品單元作為參考基準(zhǔn)。研究中使用了兩種數(shù)字設(shè)計方案。一種是尺寸優(yōu)化設(shè)計，它提供與模擬設(shè)計相近的輸出功率，但具有較小的物理尺寸。另一種方案則是輸出優(yōu)化設(shè)計，即維持與模擬設(shè)計類似的外形尺寸，但使輸出功率增加。在所有的三種設(shè)計方法中，基本的功率傳遞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持不變，從而將比較的焦點集中在如何利用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計的靈活度方面。比較中感興趣的一些方面包括電氣性能、效率、元器件數(shù)量、功率密度、成本和可靠性。比較是站在最終用戶而不是BMPS設(shè)計師的利益角度上進(jìn)行的。

本案例比較中所用的BMPS是愛立信公司的PMH8918L負(fù)載點(POL)穩(wěn)壓器[1]。這是一款電流為18A的非隔離同步降壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓可編程，額定輸入電壓為12V。該產(chǎn)品是一款最新的產(chǎn)品，其多項指標(biāo)都具有競爭性，所以它是使用模擬控制的負(fù)載點穩(wěn)壓器的最好代表。在先前發(fā)表的文章中，曾經(jīng)估計到對于相同的18A的輸出電流，采用數(shù)字技術(shù)可以使PCB面積減小40-50%，或者說，對于相同的封裝尺寸，輸出電流可以增加到35A。本文將證明在采用數(shù)字控制技術(shù)時，這些估計實際上還太過保守，甚至有可能實現(xiàn)更高的功率和電流密度。

除了考慮POL穩(wěn)壓器的數(shù)字控制本身為用戶帶來的好處之外，在數(shù)字部分還增加了一個新的接口連接器，從而使得電源系統(tǒng)中可以隨意地利用數(shù)字電源管理技術(shù)。該連接器的增加并不改變POL的性能，或者說不會改變模擬和數(shù)字控制方法學(xué)的比較結(jié)果。該連接器的增加，證明了這項可選系統(tǒng)功能的實現(xiàn)對BMPS的成本和體積并沒有實質(zhì)的不利影響。

如上所述，本文內(nèi)容局限于BMPS層級上的技術(shù)和性能的折衷。為了獲取更多的相關(guān)內(nèi)容，包括數(shù)字技術(shù)在電源系統(tǒng)管理領(lǐng)域中的擴(kuò)展，讀者可以直接參見參考目錄[4]中的白皮書。

案例研究設(shè)計

1. 現(xiàn)有的18A模擬產(chǎn)品

愛立信PMH8918L負(fù)載點(POL)穩(wěn)壓器的額定輸出電流為18A。它采用非隔離的同步降壓技術(shù)，帶有一個傳統(tǒng)的模擬控制環(huán)路，開關(guān)頻率為320kHz。輸出電壓可編程，范圍為1.2-5.5V，輸入電壓為12V。輸出電壓為3.3V時的效率大于92%，計算出來的MTBF為380萬小時。

圖1左上方MOSFET的RDS-ON為8.8mΩ，柵極電荷Qg為11nC。而圖1左下方MOSFET的相應(yīng)參數(shù)則分別為4.0mΩ和27nC。輸出電感的額定值為1.2μH，其電阻為2.3mΩ。

圖1 PMH8918L模擬設(shè)計與尺寸優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計的比較。

PMH8918LPOL穩(wěn)壓器的尺寸為38.1x22.1x9.0mm。通孔版的圖片如圖1左所示。

2. 尺寸優(yōu)化的20A數(shù)字設(shè)計

構(gòu)建的數(shù)控POL穩(wěn)壓器能夠提供與模擬PMH8918L大致一樣的輸出電流和功率。所采用的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一樣的。為了優(yōu)化尺寸重新設(shè)計了PCB版圖。最終POL穩(wěn)壓器的尺寸為25.4x12.7x8.5mm，所能提供的最大輸出電流為20A。

重要的是應(yīng)該知道在該設(shè)計中，已經(jīng)將尺寸大幅減小變?yōu)榭赡?，這是因為減少了與數(shù)字控制實現(xiàn)相關(guān)的元器件數(shù)量。高集成度省去了模擬設(shè)計中所用的幾個輔助分立器件。通過仔細(xì)選擇MOSFET，并將MOSFET的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之和減到最小，來實現(xiàn)效率的最優(yōu)化。圖1右上方的FET的RDS-ON為3.4mΩ，Qg為30nC；而圖1右下方的FET的相應(yīng)值則分別為1.8mΩ和47nC。輸出電感的額定值為1.2μH，其電阻為2.3mΩ。由于新器件RDS-ON的降低，加上源極電感的減小，使得總的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗降低，從而實現(xiàn)了滿負(fù)載時的最佳效率。輸出電感為1.0μH，電阻為2.3mΩ。另外PCB的覆銅量也有所改變，從而改進(jìn)了熱管理，降低了傳導(dǎo)損耗。

本設(shè)計中所用的控制芯片具備“效率優(yōu)化的空載時間控制”功能。該功能導(dǎo)致了效率的提高，這將在下面進(jìn)行論證。在參考資料[2]中可以看到有關(guān)該技術(shù)的更多細(xì)節(jié)。這種POL穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率為320kHz。

在本案例研究中，為數(shù)字控制POL穩(wěn)壓器加入了一個新型信號接口，不過它并不影響設(shè)計的性能，也并非基本功能所必需。沒有采用適合電源連接的大電流引腳，而是設(shè)計了一個簡單的、標(biāo)準(zhǔn)的和高性價比的10芯連接器。如果最終用戶需要，該連接器可以用來與系統(tǒng)級電源管理電路進(jìn)行通信并配置POL穩(wěn)壓器。設(shè)計中引入連接器時，并不影響封裝尺寸。圖1右所示的是一個完整的20A尺寸優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計。

3. 輸出優(yōu)化的40A設(shè)計

構(gòu)建的另一個數(shù)控POL穩(wěn)壓器的尺寸與模擬PMH8918L基本相同，但輸出電流得到了提高。最終的尺寸比模擬設(shè)計的尺寸略小一點，為30.0x20.0x8.5mm。而該POL穩(wěn)壓器的輸出電流提高到了40A。

為了提供更高的輸出電流，該設(shè)計中采用了并聯(lián)MOSFET。FET器件的選用準(zhǔn)則與尺寸優(yōu)化設(shè)計中相同。圖2右上方的FET的參數(shù)如下：RDS-ON為1.7mΩ，Qg為60nC。而圖2右下方的FET相應(yīng)參數(shù)則分別為0.6mΩ和141nC。電感為0.82μH而電阻為1.7mΩ，進(jìn)一步降低了電阻損耗。該設(shè)計的開關(guān)頻率也是320kHz。所用的控制芯片與20A數(shù)字設(shè)計中的相同。

圖2右顯示的是40A輸出優(yōu)化設(shè)計的照片。

圖2 PMH8918L模擬設(shè)計與輸出優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計的比較。

性能比較

根據(jù)通常所采用的電氣性能參數(shù)對上述三種設(shè)計進(jìn)行了表征。這些參數(shù)包括輸出能力、負(fù)載調(diào)整、效率、紋波、噪聲和動態(tài)響應(yīng)。但由于篇幅有限，這里只詳細(xì)地討論效率，因為它對最終用戶來說是一個最重要的關(guān)鍵參數(shù)。對于上述的其它參數(shù)，總體說來兩種數(shù)字設(shè)計的性能要等同于或更高于模擬設(shè)計。參考資料[3]中給出了一些初步的比較結(jié)果。

1. 效率

比較中所用的PMH8918L是一款大電流POL穩(wěn)壓器。對于這類產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換效率是最重要的，因為它對系統(tǒng)的熱設(shè)計、最終封裝密度、以及確定終端設(shè)備所需的輸入電源具有很大的影響。因此，如果要求數(shù)字設(shè)計在效率上進(jìn)行折衷的話，將是一個難以接受的方案。

圖3 模擬設(shè)計方案的效率，Vout=3.3V,T=25℃

圖4 20A數(shù)字設(shè)計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃

圖5 40A數(shù)字設(shè)計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃

圖3、4、5中的曲線分別為上述三種設(shè)計的效率與輸出電流的關(guān)系。每組數(shù)據(jù)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(shù)字設(shè)計和18A的模擬設(shè)計，發(fā)現(xiàn)盡管數(shù)字模塊的尺寸小了許多，但數(shù)字設(shè)計在全部的負(fù)載范圍上的效率都得到了改善。在半負(fù)載點上，數(shù)字POL穩(wěn)壓器的效率改善了1.1%（為93.8%），而在滿負(fù)載點上效率提高了1.2%(達(dá)到92.5%)。數(shù)字設(shè)計效率的改善主要歸功于輔助電路的減少、空閑時間控制以及更優(yōu)化的功率傳遞。

由于基準(zhǔn)模擬POL穩(wěn)壓器的特性是在12V的輸入電壓下獲得的，故在數(shù)字設(shè)計中也采用相同的輸入電壓以便比較。順便說明，對于數(shù)字設(shè)計來說，采用更低的輸入電壓時效率會更高。例如，當(dāng)輸入電壓為9.6V時，在半負(fù)載點上效率又提高1%(達(dá)到94.8%)。關(guān)于這點在研究整體電源系統(tǒng)優(yōu)化時將是非常有趣的問題。

40A的數(shù)字設(shè)計專為大電流作了優(yōu)化，這反映在圖5中15-30A范圍內(nèi)的效率性能曲線上。當(dāng)輸出電流低于10A時，它包括了18A模擬設(shè)計的可用工作范圍的絕大部分，其效率要比模擬POL穩(wěn)壓器略微低一些，這是由于較高的開關(guān)損耗所致。但在半負(fù)載點上(20A)，其效率達(dá)到93.7%，比相同輸出電流的模擬設(shè)計提高了2.4%。即便是在40A的滿負(fù)載點上，效率仍達(dá)91.9%，也比相應(yīng)的模擬POL穩(wěn)壓器高0.6%。故在所有關(guān)注的設(shè)計范圍內(nèi)，40A數(shù)字設(shè)計的效率也優(yōu)于模擬設(shè)計。改善的原因歸結(jié)于所采用的元器件數(shù)量與20A設(shè)計一樣多。而當(dāng)輸入電壓為9.6V時，40A設(shè)計的效率也能夠再提高1%。

盡管40A數(shù)字設(shè)計的效率比模擬POL穩(wěn)壓器高且尺寸相當(dāng)，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)的熱量來看，這導(dǎo)致了較高的功率密度。先前模擬設(shè)計的尺寸受元器件封裝密度的限制，而這類的數(shù)字設(shè)計的尺寸則主要受限于對BMPS進(jìn)行散熱的散熱器結(jié)構(gòu)。也就是說，如果采用傳統(tǒng)的封裝材料和冷卻通道，用這種尺寸的BMPS來產(chǎn)生40A電流，將需要額外地考慮最終用戶設(shè)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，這對最終用戶來說具有同等的重要性。下面將會提到，數(shù)字設(shè)計的元器件的減少，對所實現(xiàn)的高封裝密度貢獻(xiàn)很大。我們計算封裝密度時采用了兩種方法。第一種是單位面積電流密度，即POL穩(wěn)壓器的電路板上每cm3所實現(xiàn)的輸出電流，單位為A/cm3。第二種則是傳統(tǒng)的功率密度，根據(jù)3.3VPOL穩(wěn)壓器最大輸出功率來計算，單位是W/cm3。

對于20A的數(shù)字POL穩(wěn)壓器來說，其電流密度比參考模擬設(shè)計高289%，功率密度則提高了307%。而40A的數(shù)字POL穩(wěn)壓器的兩種密度值分別提高了312%和330%。需要指出的另一點是，相對于模擬設(shè)計，20A的數(shù)字設(shè)計在電路板面積減少61%的同時，輸出電流還額外提高了2A。而對于40A的數(shù)字設(shè)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(shù)量

所參考的模擬POL穩(wěn)壓器總共采用了58個元器件，這里不包含連接器引腳，但PCB作為一個元件被包含在內(nèi)。采用相同的計算規(guī)則，20A數(shù)字設(shè)計所用的元器件為24枚，而40A數(shù)字設(shè)計的元器件則為41枚。如上所述，數(shù)字設(shè)計中元器件數(shù)量的減少是導(dǎo)致功率密度提高的根本原因。元器件數(shù)量的減少，除了可以改善封裝之外，在未來利用數(shù)字控制的設(shè)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是一個產(chǎn)品單元，所以說模擬設(shè)計的成本結(jié)構(gòu)非常清晰。而數(shù)字設(shè)計位于一個原型內(nèi)且只采用部分元器件，例如數(shù)字控制芯片，這類器件都是最近最新引進(jìn)的，因而還沒有一個完善的定價機(jī)制。進(jìn)一步說，我們期望隨著數(shù)字控制技術(shù)的普遍采用，一些專用的元器件價格將會下降。因此這里我們不提供具體的成本分析。但由于數(shù)字技術(shù)可能實現(xiàn)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(shù)字方案很快就會為絕大多數(shù)用戶提供非常高的價值。

5. 可靠性

對于原型數(shù)字設(shè)計目前還沒有詳細(xì)的可靠性計算。18A模擬設(shè)計所計算出來的MTBF為380萬小時。在兩種數(shù)字設(shè)計中采用了與模擬設(shè)計中相同的元器件降額設(shè)計方法。在數(shù)字設(shè)計的某些方面，元器件數(shù)量的減少將會更好地補(bǔ)償電流的增加。通常，數(shù)字設(shè)計中的高集成度和較少的元器件內(nèi)部互聯(lián)將預(yù)示著具有更高的可靠性。

本文小結(jié)

通過本案例的研究，相對于模擬設(shè)計來說，在POL穩(wěn)壓器的數(shù)字控制功能方面可以得出以下幾個結(jié)論：

1. 數(shù)字控制穩(wěn)壓器的通用電氣性能要等同于或者優(yōu)于模擬設(shè)計；

2. 對于同樣的輸出電流，數(shù)字設(shè)計的效率高于模擬設(shè)計。效率提高超過1%是可能的；

3. 在封裝密度方面數(shù)字設(shè)計具有明顯的優(yōu)點。這樣，可以設(shè)計更小的BMPS，或者在標(biāo)準(zhǔn)的封裝內(nèi)可以提高可用功率；

4. 與模擬POL穩(wěn)壓器相比，數(shù)字設(shè)計可以大大地提高電流和功率密度，提高幅度可以達(dá)到289%-330%；

5. 隨著40A數(shù)字設(shè)計的集成度的提高，散熱將超過器件面積而成為約束封裝的主要條件；

6. 數(shù)字設(shè)計大大地減少了元器件數(shù)量，20A數(shù)字設(shè)計減少了58%，而40A數(shù)字設(shè)計則減少了29%；

7. 雖然還無法提供詳細(xì)的成本分析，與模擬BMPS相比，數(shù)字設(shè)計有望能為用戶提供更突出的價值；

8. 由于元器件數(shù)量減少并提高了集成度，在進(jìn)行MTBF預(yù)測計算時，數(shù)字設(shè)計相對于模擬設(shè)計將具有更高的可靠性。

總的來說，數(shù)字控制作為一項可行的技術(shù)，在無需OEM系統(tǒng)設(shè)計師增加額外設(shè)計工作量的條件下，能夠為最終用戶提供性能、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增加一個系統(tǒng)電源管理接口。

作者：Per-JohanWiberg,

愛立信美國電源公司

TorbjornHolmberg

愛立信瑞典電源公司