利用數(shù)字控制技術(shù)改善功率密度和電源管理

在一個(gè)電源系統(tǒng)中有許多地方可以采用數(shù)字技術(shù)，一個(gè)是電源內(nèi)部電路本身，還有就是在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)功率管理和監(jiān)控功能[4].本文將針對(duì)第一種情況進(jìn)行詳細(xì)討論。文中比較了板載電源（BMPS）的內(nèi)部控制功能采用數(shù)字技術(shù)和更傳統(tǒng)的模擬方法的系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)效果。對(duì)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(tǒng)的方式來(lái)使用器件，而無(wú)需額外的系統(tǒng)級(jí)數(shù)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(zhǔn)。研究中使用了兩種數(shù)字設(shè)計(jì)方案。一種是尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，它提供與模擬設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，即維持與模擬設(shè)計(jì)類(lèi)似的外形尺寸，但使輸出功率增加。在所有的三種設(shè)計(jì)方法中，基本的功率傳遞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持不變，從而將比較的焦點(diǎn)集中在如何利用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shù)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(shè)計(jì)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(fù)載點(diǎn)（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(xiàng)指標(biāo)都具有競(jìng)爭(zhēng)性，所以它是使用模擬控制的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的最好代表。在先前發(fā)表的文章中，曾經(jīng)估計(jì)到對(duì)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(shuō)，對(duì)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(shí)，這些估計(jì)實(shí)際上還太過(guò)保守，甚至有可能實(shí)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(hù)帶來(lái)的好處之外，在數(shù)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(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(shuō)不會(huì)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(xiàng)可選系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)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(nèi)容局限于BMPS層級(jí)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(jiàn)參考目錄[4]中的白皮書(shū)。

　　案例研究設(shè)計(jì)

　　1. 現(xiàn)有的18A模擬產(chǎn)品

　　愛(ài)立信PMH8918L負(fù)載點(diǎn)（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(gè)傳統(tǒng)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(jì)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(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。

　　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(jì)

　　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(jì)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(jì)中，已經(jīng)將尺寸大幅減小變?yōu)榭赡?，這是因?yàn)闇p少了與數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)相關(guān)的元器件數(shù)量。高集成度省去了模擬設(shè)計(jì)中所用的幾個(gè)輔助分立器件。通過(guò)仔細(xì)選擇MOSFET,并將MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之和減到最小，來(lái)實(shí)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1.2μH,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(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗降低，從而實(shí)現(xiàn)了滿(mǎn)負(fù)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(dǎo)損耗。

　　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?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(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。

　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(hù)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(lèi)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(huà)，將是一個(gè)難以接受的方案。

　　圖3、4、5中的曲線(xiàn)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(mǎn)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(zhuān)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(xiàn)上。當(dāng)輸出電流低于10A時(shí)，它包括了18A模擬設(shè)計(jì)的可用工作范圍的絕大部分，其效率要比模擬POL穩(wěn)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(fù)載點(diǎn)上（20A），其效率達(dá)到93.7%,比相同輸出電流的模擬設(shè)計(jì)提高了2.4%.即便是在40A的滿(mǎn)負(fù)載點(diǎn)上，效率仍達(dá)91.9%,也比相應(yīng)的模擬POL穩(wěn)壓器高0.6%.故在所有關(guān)注的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，40A數(shù)字設(shè)計(jì)的效率也優(yōu)于模擬設(shè)計(jì)。改善的原因歸結(jié)于所采用的元器件數(shù)量與20A設(shè)計(jì)一樣多。而當(dāng)輸入電壓為9.6V時(shí)，40A設(shè)計(jì)的效率也能夠再提高1%.

　　盡管40A數(shù)字設(shè)計(jì)的效率比模擬POL穩(wěn)壓器高且尺寸相當(dāng)，但由于