利用數(shù)字控制技術(shù)改善功率密度和電源管理

　　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。