- 數字控制技術案例研究設計
- 數字控制技術性能比較
- 數字設計的效率高于模擬設計
- 在封裝密度方面數字設計具有明顯的優點
- .數字設計大大地減少了元器件數量
在一個電源系統中有許多地方可以采用數字技術，一個是電源內部電路本身，還有就是在系統級實現功率管理和監控功能。本文將針對第一種情況進行詳細討論。文中比較了板載電源(BMPS)的內部控制功能采用數字技術和更傳統的模擬方法的系統級實現效果。對于比較中所提到的每一個方案，BMPS的最終用戶都可以采用傳統的方式來使用器件，而無需額外的系統級數字技術。
比較依賴了實際的案例研究，利用了實際的產品單元作為參考基準。研究中使用了兩種數字設計方案。一種是尺寸優化設計，它提供與模擬設計相近的輸出功率，但具有較小的物理尺寸。另一種方案則是輸出優化設計，即維持與模擬設計類似的外形尺寸，但使輸出功率增加。在所有的三種設計方法中，基本的功率傳遞拓撲結構保持不變，從而將比較的焦點集中在如何利用數字控制技術實現設計的靈活度方面。比較中感興趣的一些方面包括電氣性能、效率、元器件數量、功率密度、成本和可靠性。比較是站在最終用戶而不是BMPS設計師的利益角度上進行的。
本案例比較中所用的BMPS是愛立信公司的PMH8918L負載點(POL)穩壓器。這是一款電流為18A的非隔離同步降壓穩壓器，其輸出電壓可編程，額定輸入電壓為12V。該產品是一款最新的產品，其多項指標都具有競爭性，所以它是使用模擬控制的負載點穩壓器的最好代表。在先前發表的文章中，曾經估計到對于相同的18A的輸出電流，采用數字技術可以使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字控制技術時，這些估計實際上還太過保守，甚至有可能實現更高的功率和電流密度。
除了考慮POL穩壓器的數字控制本身為用戶帶來的好處之外，在數字部分還增加了一個新的接口連接器，從而使得電源系統中可以隨意地利用數字電源管理技術。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字控制方法學的比較結果。該連接器的增加，證明了這項可選系統功能的實現對BMPS的成本和體積并沒有實質的不利影響。
如上所述，本文內容局限于BMPS層級上的技術和性能的折衷。為了獲取更多的相關內容，包括數字技術在電源系統管理領域中的擴展。
案例研究設計
1.現有的18A模擬產品
愛立信PMH8918L負載點(POL)穩壓器的額定輸出電流為18A。它采用非隔離的同步降壓技術，帶有一個傳統的模擬控制環路，開關頻率為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的相應參數則分別為4.0mΩ和27nC。輸出電感的額定值為1.2μH，其電阻為2.3mΩ。
圖1PMH8918L模擬設計與尺寸優化的數字設計的比較。[page]
PMH8918LPOL穩壓器的尺寸為38.1x22.1x9.0mm。通孔版的圖片如圖1左所示。
2.尺寸優化的20A數字設計
構建的數控POL穩壓器能夠提供與模擬PMH8918L大致一樣的輸出電流和功率。所采用的基本拓撲結構是一樣的。為了優化尺寸重新設計了PCB版圖。最終POL穩壓器的尺寸為25.4x12.7x8.5mm，所能提供的最大輸出電流為20A。
重要的是應該知道在該設計中，已經將尺寸大幅減小變為可能，這是因為減少了與數字控制實現相關的元器件數量。高集成度省去了模擬設計中所用的幾個輔助分立器件。通過仔細選擇MOSFET，并將MOSFET的開關損耗和傳導損耗之和減到最小，來實現效率的最優化。圖1右上方的FET的RDS-ON為3.4mΩ，Qg為30nC；而圖1右下方的FET的相應值則分別為1.8mΩ和47nC。輸出電感的額定值為1.2μH，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，使得總的傳導和開關損耗降低，從而實現了滿負載時的最佳效率。輸出電感為1.0μH，電阻為2.3mΩ。另外PCB的覆銅量也有所改變，從而改進了熱管理，降低了傳導損耗。
本設計中所用的控制芯片具備“效率優化的空載時間控制”功能。該功能導致了效率的提高，這將在下面進行論證。這種POL穩壓器的開關頻率為320kHz。
在本案例研究中，為數字控制POL穩壓器加入了一個新型信號接口，不過它并不影響設計的性能，也并非基本功能所必需。沒有采用適合電源連接的大電流引腳，而是設計了一個簡單的、標準的和高性價比的10芯連接器。如果最終用戶需要，該連接器可以用來與系統級電源管理電路進行通信并配置POL穩壓器。設計中引入連接器時，并不影響封裝尺寸。圖1右所示的是一個完整的20A尺寸優化的數字設計。
3.輸出優化的40A設計
構建的另一個數控POL穩壓器的尺寸與模擬PMH8918L基本相同，但輸出電流得到了提高。最終的尺寸比模擬設計的尺寸略小一點，為30.0x20.0x8.5mm。而該POL穩壓器的輸出電流提高到了40A。
為了提供更高的輸出電流，該設計中采用了并聯MOSFET。FET器件的選用準則與尺寸優化設計中相同。圖2右上方的FET的參數如下：RDS-ON為1.7mΩ，Qg為60nC。而圖2右下方的FET相應參數則分別為0.6mΩ和141nC。電感為0.82μH而電阻為1.7mΩ，進一步降低了電阻損耗。該設計的開關頻率也是320kHz。所用的控制芯片與20A數字設計中的相同。
圖2右顯示的是40A輸出優化設計的照片。
圖2PMH8918L模擬設計與輸出優化的數字設計的比較。
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性能比較
根據通常所采用的電氣性能參數對上述三種設計進行了表征。這些參數包括輸出能力、負載調整、效率、紋波、噪聲和動態響應。但由于篇幅有限，這里只詳細地討論效率，因為它對最終用戶來說是一個最重要的關鍵參數。對于上述的其它參數，總體說來兩種數字設計的性能要等同于或更高于模擬設計。參考資料[3]中給出了一些初步的比較結果。
1.效率
比較中所用的PMH8918L是一款大電流POL穩壓器。對于這類產品，轉換效率是最重要的，因為它對系統的熱設計、最終封裝密度、以及確定終端設備所需的輸入電源具有很大的影響。因此，如果要求數字設計在效率上進行折衷的話，將是一個難以接受的方案。
圖3模擬設計方案的效率，Vout=3.3V,T=25℃
圖420A數字設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃
圖540A數字設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃
圖3、4、5中的曲線分別為上述三種設計的效率與輸出電流的關系。每組數據都是在輸入電壓為12V，輸出電壓為3.3V以及環境溫度為25℃的條件下獲得的。比較20A的數字設計和18A的模擬設計，發現盡管數字模塊的尺寸小了許多，但數字設計在全部的負載范圍上的效率都得到了改善。在半負載點上，數字POL穩壓器的效率改善了1.1%（為93.8%），而在滿負載點上效率提高了1.2%(達到92.5%)。數字設計效率的改善主要歸功于輔助電路的減少、空閑時間控制以及更優化的功率傳遞。
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由于基準模擬POL穩壓器的特性是在12V的輸入電壓下獲得的，故在數字設計中也采用相同的輸入電壓以便比較。順便說明，對于數字設計來說，采用更低的輸入電壓時效率會更高。例如，當輸入電壓為9.6V時，在半負載點上效率又提高1%(達到94.8%)。關于這點在研究整體電源系統優化時將是非常有趣的問題。
40A的數字設計專為大電流作了優化，這反映在圖5中15-30A范圍內的效率性能曲線上。當輸出電流低于10A時，它包括了18A模擬設計的可用工作范圍的絕大部分，其效率要比模擬POL穩壓器略微低一些，這是由于較高的開關損耗所致。但在半負載點上(20A)，其效率達到93.7%，比相同輸出電流的模擬設計提高了2.4%。即便是在40A的滿負載點上，效率仍達91.9%，也比相應的模擬POL穩壓器高0.6%。故在所有關注的設計范圍內，40A數字設計的效率也優于模擬設計。改善的原因歸結于所采用的元器件數量與20A設計一樣多。而當輸入電壓為9.6V時，40A設計的效率也能夠再提高1%。
盡管40A數字設計的效率比模擬POL穩壓器高且尺寸相當，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，而這類的數字設計的尺寸則主要受限于對BMPS進行散熱的散熱器結構。也就是說，如果采用傳統的封裝材料和冷卻通道，用這種尺寸的BMPS來產生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，數字設計的元器件的減少，對所實現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穩壓器的電路板上每cm3所實現的輸出電流，單位為A/cm3。第二種則是傳統的功率密度，根據3.3VPOL穩壓器最大輸出功率來計算，單位是W/cm3。
對于20A的數字POL穩壓器來說，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的數字POL穩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.元器件數量
所參考的模擬POL穩壓器總共采用了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。采用相同的計算規則，20A數字設計所用的元器件為24枚，而40A數字設計的元器件則為41枚。如上所述，數字設計中元器件數量的減少是導致功率密度提高的根本原因。元器件數量的減少，除了可以改善封裝之外，在未來利用數字控制的設計中，還有望在降低成本和提高可靠性方面發揮重要的積極作用。
4.成本
由于PMH8918L是一個產品單元，所以說模擬設計的成本結構非常清晰。而數字設計位于一個原型內且只采用部分元器件，例如數字控制芯片，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。但由于數字技術可能實現更高的集成度以及更高水平的電氣和封裝性能，我們堅信數字方案很快就會為絕大多數用戶提供非常高的價值。
5.可靠性
對于原型數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。在數字設計的某些方面，元器件數量的減少將會更好地補償電流的增加。通常，數字設計中的高集成度和較少的元器件內部互聯將預示著具有更高的可靠性。
通過本案例的研究，相對于模擬設計來說，在POL穩壓器的數字控制功能方面可以得出以下幾個結論：
1.數字控制穩壓器的通用電氣性能要等同于或者優于模擬設計；
2.對于同樣的輸出電流，數字設計的效率高于模擬設計。效率提高超過1%是可能的；
3.在封裝密度方面數字設計具有明顯的優點。這樣，可以設計更小的BMPS，或者在標準的封裝內可以提高可用功率；
4.與模擬POL穩壓器相比，數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.數字設計大大地減少了元器件數量，20A數字設計減少了58%，而40A數字設計則減少了29%；
7.雖然還無法提供詳細的成本分析，與模擬BMPS相比，數字設計有望能為用戶提供更突出的價值；
8.由于元器件數量減少并提高了集成度，在進行MTBF預測計算時，數字設計相對于模擬設計將具有更高的可靠性。
總的來說，數字控制作為一項可行的技術，在無需OEM系統設計師增加額外設計工作量的條件下，能夠為最終用戶提供性能、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增加一個系統電源管理接口。
