利用數(shù)字控制技術(shù)改善功率密度和電源管理功能

在一個(gè)電源系統(tǒng)中有許多地方可以采用數(shù)字技術(shù)，一個(gè)是電源內(nèi)部電路本身，還有就是在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)功率管理和監(jiān)控功能[4]。本文將針對(duì)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(jí)實(shí)現(xiàn)效果。對(duì)于比較中所提到的每一個(gè)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(jí)數(shù)字技術(shù)。比較依賴了實(shí)際的案例研究，利用了實(shí)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(jì)方案。一種是尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，它提供與模擬設(shè)計(jì)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(jì)，即維持與模擬設(shè)計(jì)類似的外形尺寸，但使輸出功率增加。在所有的三種設(shè)計(jì)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(diǎn)集中在如何利用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)(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(xiàng)指標(biāo)都具有競(jìng)爭(zhēng)性，所以它是使用模擬控制的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的最好代表。在先前發(fā)表的文章中，曾經(jīng)估計(jì)到對(duì)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(duì)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(shí)，這些估計(jì)實(shí)際上還太過保守，甚至有可能實(shí)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(gè)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(huì)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(xiàng)可選系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)BMPS的成本和體積并沒有實(shí)質(zhì)的不利影響。

如上所述，本文內(nèi)容局限于BMPS層級(jí)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(jì)

1. 現(xiàn)有的18A模擬產(chǎn)品

愛立信PMH8918L負(fù)載點(diǎn)(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(gè)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(shí)的效率大于92%，計(jì)算出來的MTBF為380萬小時(shí)。

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。

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(jì)

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(jì)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(jì)中，已經(jīng)將尺寸大幅減小變?yōu)榭赡?，這是因?yàn)闇p少了與數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)相關(guān)的元器件數(shù)量。高集成度省去了模擬設(shè)計(jì)中所用的幾個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了滿負(fù)載時(shí)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。