數(shù)字控制技術(shù)：改善功率密度及電源管理功能的高招

　　本設(shè)計(jì)中所用的控制芯片具備“效率優(yōu)化的空載時(shí)間控制”功能。該功能導(dǎo)致了效率的提高，這將在下面進(jìn)行論證。在參考資料［2］中可以看到有關(guān)該技術(shù)的更多細(xì)節(jié)。這種POL穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率為320kHz。

　　在本案例研究中，為數(shù)字控制POL穩(wěn)壓器加入了一個(gè)新型信號(hào)接口，不過(guò)它并不影響設(shè)計(jì)的性能，也并非基本功能所必需。沒(méi)有采用適合電源連接的大電流引腳，而是設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、標(biāo)準(zhǔn)的和高性價(jià)比的10芯連接器。如果最終用戶需要，該連接器可以用來(lái)與系統(tǒng)級(jí)電源管理電路進(jìn)行通信并配置POL穩(wěn)壓器。設(shè)計(jì)中引入連接器時(shí)，并不影響封裝尺寸。圖1右所示的是一個(gè)完整的20A尺寸優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計(jì)。

3. 輸出優(yōu)化的40A設(shè)計(jì)

　　構(gòu)建的另一個(gè)數(shù)控POL穩(wěn)壓器的尺寸與模擬PMH8918L基本相同，但輸出電流得到了提高。最終的尺寸比模擬設(shè)計(jì)的尺寸略小一點(diǎn)，為30.0x20.0x8.5mm。而該P(yáng)OL穩(wěn)壓器的輸出電流提高到了40A。

　　為了提供更高的輸出電流，該設(shè)計(jì)中采用了并聯(lián)MOSFET。FET器件的選用準(zhǔn)則與尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)中相同。圖2右上方的FET的參數(shù)如下：RDS -ON為1.7mΩ，Qg為60nC。而圖2右下方的FET相應(yīng)參數(shù)則分別為0.6mΩ和141nC。電感為0.82μH 而電阻為1.7mΩ，進(jìn)一步降低了電阻損耗。該設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率也是320kHz。所用的控制芯片與20A數(shù)字設(shè)計(jì)中的相同。

　　圖2右顯示的是40A輸出優(yōu)化設(shè)計(jì)的照片。

　　圖2 PMH8918L模擬設(shè)計(jì)與輸出優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計(jì)的比較。

　　性能比較

　　根據(jù)通常所采用的電氣性能參數(shù)對(duì)上述三種設(shè)計(jì)進(jìn)行了表征。這些參數(shù)包括輸出能力、負(fù)載調(diào)整、效率、紋波、噪聲和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但由于篇幅有限，這里只詳細(xì)地討論效率，因?yàn)樗鼘?duì)最終用戶來(lái)說(shuō)是一個(gè)最重要的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于上述的其它參數(shù)，總體說(shuō)來(lái)兩種數(shù)字設(shè)計(jì)的性能要 等同于或更高于模擬設(shè)計(jì)。參考資料［3］中給出了一些初步的比較結(jié)果。

　　1. 效率

　　比較中所用的PMH8918L是一款大電流POL穩(wěn)壓器。對(duì)于這類產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換效率是最重要的，因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)、最終封裝密度、以及確定終端設(shè)備所需的輸入電源具有很大的影響。因此，如果要求數(shù)字設(shè)計(jì)在效率上進(jìn)行折衷的話，將是一個(gè)難以接受的方案。

　　圖3 模擬設(shè)計(jì)方案的效率，Vout=3.3V，T=25℃

　　圖4 20A數(shù)字設(shè)計(jì)方案的效率，Vout=3.3V，T=25℃

　　圖5 40A數(shù)字設(shè)計(jì)方案的效率，Vout=3.3V，T=25℃

　　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(shuō)明，對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(wèn)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