利用數字控制技術改善功率密度和電源管理功能

在一個電源系統(tǒng)中有許多地方可以采用數字技術，一個是電源內部電路本身，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行詳細討論。文中比較了板載電源(BMPS)的內部控制功能采用數字技術和更傳統(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)級數字技術。比較依賴了實際的案例研究，利用了實際的產品單元作為參考基準。研究中使用了兩種數字設計方案。一種是尺寸優(yōu)化設計，它提供與模擬設計相近的輸出功率，但具有較小的物理尺寸。另一種方案則是輸出優(yōu)化設計，即維持與模擬設計類似的外形尺寸，但使輸出功率增加。在所有的三種設計方法中，基本的功率傳遞拓撲結構保持不變，從而將比較的焦點集中在如何利用數字控制技術實現(xiàn)設計的靈活度方面。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設計師的利益角度上進行的。

本案例比較中所用的BMPS是愛立信公司的PMH8918L負載點(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。該產品是一款最新的產品，其多項指標都具有競爭性，所以它是使用模擬控制的負載點穩(wěn)壓器的最好代表。在先前發(fā)表的文章中，曾經估計到對于相同的18A的輸出電流，采用數字技術可以使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字控制技術時，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)壓器的數字控制本身為用戶帶來的好處之外，在數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字電源管理技術。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字控制方法學的比較結果。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的不利影響。

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

案例研究設計

1. 現(xiàn)有的18A模擬產品

愛立信PMH8918L負載點(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，帶有一個傳統(tǒng)的模擬控制環(huán)路，開關頻率為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的相應參數則分別為4.0mΩ和27nC。輸出電感的額定值為1.2μH，其電阻為2.3mΩ。

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數字設計

構建的數控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。所采用的基本拓撲結構是一樣的。為了優(yōu)化尺寸重新設計了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。

重要的是應該知道在該設計中，已經將尺寸大幅減小變?yōu)榭赡?，這是因為減少了與數字控制實現(xiàn)相關的元器件數量。高集成度省去了模擬設計中所用的幾個輔助分立器件。通過仔細選擇MOSFET，并將MOSFET的開關損耗和傳導損耗之和減到最小，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，使得總的傳導和開關損耗降低，從而實現(xiàn)了滿負載時的最佳效率。輸出電感為1.0μH，電阻為2.3mΩ。另外PCB的覆銅量也有所改變，從而改進了熱管理，降低了傳導損耗。