數(shù)字控制技術(shù)：改善功率密度及電源管理功能的高招
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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1.2μ H，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。
評論