利用數(shù)字控制技術(shù)改善功率密度和電源管理功能
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圖3、4、5中的曲線分別為上述三種設(shè)計(jì)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(jì)和18A的模擬設(shè)計(jì)，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(jì)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(diǎn)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(diǎn)上效率提高了1.2%(達(dá)到92.5%)。數(shù)字設(shè)計(jì)效率的改善主要?dú)w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(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(jì)中也采用相同的輸入電壓以便比較。順便說明，對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)來說，采用更低的輸入電壓時(shí)效率會(huì)更高。例如，當(dāng)輸入電壓為9.6V時(shí)，在半負(fù)載點(diǎn)上效率又提高1%(達(dá)到94.8%)。關(guān)于這點(diǎn)在研究整體電源系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)將是非常有趣的問題。
40A的數(shù)字設(shè)計(jì)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(shí)，它包括了18A模擬設(shè)計(jì)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(diǎn)上(20A)，其效率達(dá)到93.7%，比相同輸出電流的模擬設(shè)計(jì)提高了2.4%。即便是在40A的滿負(fù)載點(diǎn)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(jì)范圍內(nèi)，40A數(shù)字設(shè)計(jì)的效率也優(yōu)于模擬設(shè)計(jì)。改善的原因歸結(jié)于所采用的元器件數(shù)量與20A設(shè)計(jì)一樣多。而當(dāng)輸入電壓為9.6V時(shí)，40A設(shè)計(jì)的效率也能夠再提高1%。
盡管40A數(shù)字設(shè)計(jì)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(jì)的尺寸受元器件封裝密度的限制，而這類的數(shù)字設(shè)計(jì)的尺寸則主要受限于對(duì)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(duì)最終用戶來說具有同等的重要性。下面將會(huì)提到，數(shù)字設(shè)計(jì)的元器件的減少，對(duì)所實(shí)現(xiàn)的高封裝密度貢獻(xiàn)很大。我們計(jì)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(wěn)壓器的電路板上每cm3所實(shí)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(jì)算，單位是W/cm3。
對(duì)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(jì)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(diǎn)是，相對(duì)于模擬設(shè)計(jì)，20A的數(shù)字設(shè)計(jì)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(duì)于40A的數(shù)字設(shè)計(jì)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(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(nèi)。采用相同的計(jì)算規(guī)則，20A數(shù)字設(shè)計(jì)所用的元器件為24枚，而40A數(shù)字設(shè)計(jì)的元器件則為41枚。如上所述，數(shù)字設(shè)計(jì)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(jì)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，所以說模擬設(shè)計(jì)的成本結(jié)構(gòu)非常清晰。而數(shù)字設(shè)計(jì)位于一個(gè)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(gè)完善的定價(jià)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(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(shù)字技術(shù)可能實(shí)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(jiān)信數(shù)字方案很快就會(huì)為絕大多數(shù)用戶提供非常高的價(jià)值。
5. 可靠性
對(duì)于原型數(shù)字設(shè)計(jì)目前還沒有詳細(xì)的可靠性計(jì)算。18A模擬設(shè)計(jì)所計(jì)算出來的MTBF為380萬小時(shí)。在兩種數(shù)字設(shè)計(jì)中采用了與模擬設(shè)計(jì)中相同的元器件降額設(shè)計(jì)方法。在數(shù)字設(shè)計(jì)的某些方面，元器件數(shù)量的減少將會(huì)更好地補(bǔ)償電流的增加。通常，數(shù)字設(shè)計(jì)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(duì)于模擬設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)；
2. 對(duì)于同樣的輸出電流，數(shù)字設(shè)計(jì)的效率高于模擬設(shè)計(jì)。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(jì)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。這樣，可以設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)大大地減少了元器件數(shù)量，20A數(shù)字設(shè)計(jì)減少了58%，而40A數(shù)字設(shè)計(jì)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(jì)有望能為用戶提供更突出的價(jià)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(cè)計(jì)算時(shí)，數(shù)字設(shè)計(jì)相對(duì)于模擬設(shè)計(jì)將具有更高的可靠性。
總的來說，數(shù)字控制作為一項(xiàng)可行的技術(shù)，在無需OEM系統(tǒng)設(shè)計(jì)師增加額外設(shè)計(jì)工作量的條件下，能夠?yàn)樽罱K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(gè)系統(tǒng)電源管理接口。
評(píng)論