- 數字控制技術(shù)案例研究設計
- 數字控制技術(shù)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(yōu)點(diǎn)
- .數字設計大大地減少了元器件數量
在一個(gè)電源系統中有許多地方可以采用數字技術(shù)，一個(gè)是電源內部電路本身，還有就是在系統級實(shí)現功率管理和監控功能。本文將針對第一種情況進(jìn)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(shù)和更傳統的模擬方法的系統級實(shí)現效果。對于比較中所提到的每一個(gè)方案，BMPS的最終用戶(hù)都可以采用傳統的方式來(lái)使用器件，而無(wú)需額外的系統級數字技術(shù)。
比較依賴(lài)了實(shí)際的案例研究，利用了實(shí)際的產(chǎn)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(yōu)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(yōu)化設計，即維持與模擬設計類(lèi)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(diǎn)集中在如何利用數字控制技術(shù)實(shí)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(hù)而不是BMPS設計師的利益角度上進(jìn)行的。
本案例比較中所用的BMPS是愛(ài)立信公司的PMH8918L負載點(diǎn)(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(chǎn)品是一款最新的產(chǎn)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(diǎn)穩壓器的最好代表。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，采用數字技術(shù)可以使PCB面積減小40-50%，或者說(shuō)，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(shù)時(shí)，這些估計實(shí)際上還太過(guò)保守，甚至有可能實(shí)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(hù)帶來(lái)的好處之外，在數字部分還增加了一個(gè)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(shù)。該連接器的增加并不改變POL的性能，或者說(shuō)不會(huì )改變模擬和數字控制方法學(xué)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(shí)現對BMPS的成本和體積并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的不利影響。
如上所述，本文內容局限于BMPS層級上的技術(shù)和性能的折衷。為了獲取更多的相關(guān)內容，包括數字技術(shù)在電源系統管理領(lǐng)域中的擴展。
案例研究設計
1.現有的18A模擬產(chǎn)品
愛(ài)立信PMH8918L負載點(diǎn)(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(shù)，帶有一個(gè)傳統的模擬控制環(huán)路，開(kāi)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(shí)的效率大于92%，計算出來(lái)的MTBF為380萬(wàn)小時(shí)。
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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(jīng)將尺寸大幅減小變?yōu)榭赡?，這是因為減少了與數字控制實(shí)現相關(guān)的元器件數量。高集成度省去了模擬設計中所用的幾個(gè)輔助分立器件。通過(guò)仔細選擇MOSFET，并將MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗之和減到最小，來(lái)實(shí)現效率的最優(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(kāi)關(guān)損耗降低，從而實(shí)現了滿(mǎn)負載時(shí)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(jìn)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(yōu)化的空載時(shí)間控制”功能。該功能導致了效率的提高，這將在下面進(jìn)行論證。這種POL穩壓器的開(kāi)關(guān)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(gè)新型信號接口，不過(guò)它并不影響設計的性能，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，而是設計了一個(gè)簡(jiǎn)單的、標準的和高性?xún)r(jià)比的10芯連接器。如果最終用戶(hù)需要，該連接器可以用來(lái)與系統級電源管理電路進(jìn)行通信并配置POL穩壓器。設計中引入連接器時(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)化的數字設計。
3.輸出優(yōu)化的40A設計
構建的另一個(gè)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(diǎn)，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(lián)MOSFET。FET器件的選用準則與尺寸優(yōu)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(jìn)一步降低了電阻損耗。該設計的開(kāi)關(guān)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(yōu)化設計的照片。
圖2PMH8918L模擬設計與輸出優(yōu)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(jìn)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(dòng)態(tài)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(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)最重要的關(guān)鍵參數。對于上述的其它參數，總體說(shuō)來(lái)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(lèi)產(chǎn)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(jìn)行折衷的話(huà)，將是一個(gè)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(xiàn)分別為上述三種設計的效率與輸出電流的關(guān)系。每組數據都是在輸入電壓為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的數字設計和18A的模擬設計，發(fā)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(diǎn)上，數字POL穩壓器的效率改善了1.1%（為93.8%），而在滿(mǎn)負載點(diǎn)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(shí)間控制以及更優(yōu)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(shuō)明，對于數字設計來(lái)說(shuō)，采用更低的輸入電壓時(shí)效率會(huì )更高。例如，當輸入電壓為9.6V時(shí)，在半負載點(diǎn)上效率又提高1%(達到94.8%)。關(guān)于這點(diǎn)在研究整體電源系統優(yōu)化時(shí)將是非常有趣的問(wèn)題。
40A的數字設計專(zhuān)為大電流作了優(yōu)化，這反映在圖5中15-30A范圍內的效率性能曲線(xiàn)上。當輸出電流低于10A時(shí)，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(kāi)關(guān)損耗所致。但在半負載點(diǎn)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(mǎn)負載點(diǎn)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(guān)注的設計范圍內，40A數字設計的效率也優(yōu)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(shí)，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(fā)的熱量來(lái)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(lèi)的數字設計的尺寸則主要受限于對BMPS進(jìn)行散熱的散熱器結構。也就是說(shuō)，如果采用傳統的封裝材料和冷卻通道，用這種尺寸的BMPS來(lái)產(chǎn)生40A電流，將需要額外地考慮最終用戶(hù)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(hù)來(lái)說(shuō)具有同等的重要性。下面將會(huì )提到，數字設計的元器件的減少，對所實(shí)現的高封裝密度貢獻很大。我們計算封裝密度時(shí)采用了兩種方法。第一種是單位面積電流密度，即POL穩壓器的電路板上每cm3所實(shí)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(lái)計算，單位是W/cm3。
對于20A的數字POL穩壓器來(lái)說(shuō)，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(diǎn)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(shí)，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(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。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(lái)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(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(shuō)模擬設計的成本結構非常清晰。而數字設計位于一個(gè)原型內且只采用部分元器件，例如數字控制芯片，這類(lèi)器件都是最近最新引進(jìn)的，因而還沒(méi)有一個(gè)完善的定價(jià)機制。進(jìn)一步說(shuō)，我們期望隨著(zhù)數字控制技術(shù)的普遍采用，一些專(zhuān)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。但由于數字技術(shù)可能實(shí)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(huì )為絕大多數用戶(hù)提供非常高的價(jià)值。
5.可靠性
對于原型數字設計目前還沒(méi)有詳細的可靠性計算。18A模擬設計所計算出來(lái)的MTBF為380萬(wàn)小時(shí)。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(huì )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(lián)將預示著(zhù)具有更高的可靠性。
通過(guò)本案例的研究，相對于模擬設計來(lái)說(shuō)，在POL穩壓器的數字控制功能方面可以得出以下幾個(gè)結論：
1.數字控制穩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，數字設計的效率高于模擬設計。效率提高超過(guò)1%是可能的；
3.在封裝密度方面數字設計具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。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(zhù)40A數字設計的集成度的提高，散熱將超過(guò)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(wú)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(hù)提供更突出的價(jià)值；
8.由于元器件數量減少并提高了集成度，在進(jìn)行MTBF預測計算時(shí)，數字設計相對于模擬設計將具有更高的可靠性。
總的來(lái)說(shuō)，數字控制作為一項可行的技術(shù)，在無(wú)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(hù)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)系統電源管理接口。
