數(shù)字控制技術：改善功率密度及電源管理功能的高招

　　盡管40A數(shù)字設計的效率比模擬POL穩(wěn)壓器高且尺寸相當，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，這導致了較高的功率密度。先前模擬設計的尺寸受元器件封裝密度的限制，而這類的數(shù)字設計的尺寸則主要受限于對BMPS進行散熱的散熱器結(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，這對最終用戶來說具有同等的重要性。下面將會提到，數(shù)字設計的元器件的減少，對所實現(xiàn)的高封裝密度貢獻很大。我們計 算封裝密度時采用了兩種方法。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算，單位是W/cm3。

　　對于20A的數(shù)字POL穩(wěn)壓器來說，其電流密度比參考模擬設計高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%。需要指出的另一點是，相對于模擬設計，20A的數(shù)字設計在電路板面積減少61%的同時，輸出電流還額外提高了2A。而對于 40A的數(shù)字設計而言，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個元器件，這里不包含連接器引腳，但PCB作為一個元件被包含在內(nèi)。采用相同的計算規(guī)則，20A數(shù)字設 計所用的元器件為24枚，而40A數(shù)字設計的元器件則為41枚。如上所述，數(shù)字設計中元器件數(shù)量的減少是導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)字控制的設計中，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是一個產(chǎn)品單元，所以說模擬設計的成本結(jié)構(gòu)非常清晰。而數(shù)字設計位于一個原型內(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的，因而還沒有一個完善的定價機制。進一步說，我們期望隨著數(shù)字控制技術的普遍采用，一些專用的元器件價格將會下降。因此這里我們 不提供具體的成本分析。但由于數(shù)字技術可能實現(xiàn)更高的集成度以及更高水平的電氣和封裝性能，我們堅信數(shù)字方案很快就會為絕大多數(shù)用戶提供非常高的價值。

　　5. 可靠性

　　對于原型數(shù)字設計目前還沒有詳細的可靠性計算。18A模擬設計所計算出來的MTBF為380萬小時。在兩種數(shù)字設計中采用了與模擬設計中相同的 元器件降額設計方法。在數(shù)字設計的某些方面，元器件數(shù)量的減少將會更好地補償電流的增加。通常，數(shù)字設計中的高集成度和較少的元器件內(nèi)部互聯(lián)將預示著具有 更高的可靠性。

　　本文小結(jié)

　　通過本案例的研究，相對于模擬設計來說，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)于模擬設計；

　　2. 對于同樣的輸出電流，數(shù)字設計的效率高于模擬設計。效率提高超過1%是可能的；

　　3. 在封裝密度方面數(shù)字設計具有明顯的優(yōu)點。這樣，可以設計更小的BMPS，或者在標準的封裝內(nèi)可以提高可用功率；

　　4. 與模擬POL穩(wěn)壓器相比，數(shù)字設計可以大大地提高電流和功率密度，提高幅度可以達到289%-330%；

　　5. 隨著40A數(shù)字設計的集成度的提高，散熱將超過器件面積而成為約束封裝的主要條件；

　　6. 數(shù)字設計大大地減少了元器件數(shù)量，20A數(shù)字設計減