数字控制技术：改善功率密度及电源管理功能的高招

比较中所用的PMH8918L是一款大电流POL稳压器。对于这类产品，转换效率是最重要的，因为它对系统的热设计、最终封装密度、以及确定终端设备所需的输入电源具有很大的影响。因此，如果要求数字设计在效率上进行折衷的话，将是一个难以接受的方案。

图3、4、5中的曲线分别为上述三种设计的效率与输出电流的关系。每组数据都是在输入电压为12V，输出电压为3.3V以及环境温度为25℃的条件下获得的。比较20A的数字设计和18A的模拟设计，发现尽管数字模块的尺寸小了许多，但数字设计在全部的负载范围上的效率都得到了改善。在半负载点上，数字POL稳压器的效率改善了1.1%（为93.8%），而在满负载点上效率提高了1.2%(达到92.5%)。数字设计效率的改善主要归功于辅助电路的减少、空闲时间控制以及更优化的功率传递。

由于基准模拟POL稳压器的特性是在12V的输入电压下获得的，故在数字设计中也采用相同的输入电压以便比较。顺便说明，对于数字设计来说，采用更低的输入电压时效率会更高。例如，当输入电压为9.6V时，在半负载点上效率又提高1%(达到94.8%)。关于这点在研究整体电源系统优化时将是非常有趣的问题。

40A的数字设计专为大电流作了优化，这反映在图5中15-30A范围内的效率性能曲线上。当输出电流低于10A时，它包括了18A模拟设计的可用工作范围的绝大部分，其效率要比模拟POL稳压器略微低一些，这是由于较高的开关损耗所致。但在半负载点上(20A)，其效率达到93.7%，比相同输出电流的模拟设计提高了2.4%。即便是在40A的满负载点上，效率仍达91.9%，也比相应的模拟POL稳压器高0.6%。故在所有关注的设计范围内，40A数字设计的效率也优于模拟设计。改善的原因归结于所采用的元器件数量与20A设计一样多。而当输入电压为9.6V时，40A设计的效率也能够再提高1%。

尽管40A数字设计的效率比模拟POL稳压器高且尺寸相当，但由于它的输出功率和电流提高了一倍，其功耗还是比较大。从需要从BMPS上散发的热量来看，这导致了较高的功率密度。先前模拟设计的尺寸受元器件封装密度的限制，而这类的数字设计的尺寸则主要受限于对BMPS进行散热的散热器结构。也就是说，如果采用传统的封装材料和冷却通道，用这种尺寸的BMPS来产生40A电流，将需要额外地考虑最终用户设备中的热管理和环境温度。

2. 封装密度

封装密度主要受效率的影响，这对最终用户来说具有同等的重要性。下面将会提到，数字设计的元器件的减少，对所实现的高封装密度贡献很大。我们计算封装密度时采用了两种方法。第一种是单位面积电流密度，即POL稳压器的电路板上每cm3所实现的输出电流，单位为A/cm3。第二种则是传统的功率密度，根据3.3VPOL稳压器最大输出功率来计算，单位是W/cm3。

对于20A的数字POL稳压器来说，其电流密度比参考模拟设计高289%，功率密度则提高了307%。而40A的数字POL稳压器的两种密度值分别提高了312%和330%。需要指出的另一点是，相对于模拟设计，20A的数字设计在电路板面积减少61%的同时，输出电流还额外提高了2A。而对于40A的数字设计而言，输出电流增加了22A(122%)，电路板面积却减小了28%。

3. 元器件数量

所参考的模拟POL稳压器总共采用了58个元器件，这里不包含连接器引脚，但PCB作为一个元件被包含在内。采用相同的计算规则，20A数字设计所用的元器件为24枚，而40A数字设计的元器件则为41枚。如上所述，数字设计中元器件数量的减少是导致功率密度提高的根本原因。元器件数量的减少，除了可以改善封装之外，在未来利用数字控制的设计中，还有望在降低成本和提高可靠性方面发挥重要的积极作用。

4. 成本

由于PMH8918L是一个产品单元，所以说模拟设计的成本结构非常清晰。而数字设计位于一个原型内且只采用部分元器件，例如数字控制芯片，这类器件都是最近最新引进的，因而还没有一个完善的定价机制。进一步说，我们期望随着数字控制技术的普遍采用，一些专用的元器件价格将会下降。因此这里我们不提供具体的成本分析。但由于数字技术可能实现更高的集成度以及更高水平的电气和封装性能，我们坚信数字方案很快就会为绝大多数用户提供非常高的价值。

5. 可靠性

对于原型数字设计目前还没有详细的可靠性计算。18A模拟设计所计算出来的MTBF为380万小时。在两种数字设计中采用了与模拟设计中相同的元器件降额设计方法。在数字设计的某些方面，元器件数量的减少将会更好地补偿电流的增加。通常，数字设计中的高集成度和较少的元器件内部互联将预示着具有更高的可靠性。

本文小结

通过本案例的研究，相对于模拟设计来说，在POL稳压器的数字控制功能方面可以得出以下几个结论：

1. 数字控制稳压器的通用电气性能要等同于或者优于模拟设计；

2. 对于同样的输出电流，数字设计的效率高于模拟设计。效率提高超过1%是可能的；

3. 在封装密度方面数字设计具有明显的优点。这样，可以设计更小的BMPS，或者在标准的封装内可以提高可用功率；

4. 与模拟POL稳压器相比，数字设计可以大大地提高电流和功率密度，提高幅度可以达到289%-330%；

5. 随着40A数字设计的集成度的提高，散热将超过器件面积而成为约束封装的主要条件；

6. 数字设计大大地减少了元器件数量，20A数字设计减少了58%，而40A数字设计则减少了29%；

7. 虽然还无法提供详细的成本分析，与模拟BMPS相比，数字设计有望能为用户提供更突出的价值；

8. 由于元器件数量减少并提高了集成度，在进行MTBF预测计算时，数字设计相对于模拟设计将具有更高的可靠性。

总的来说，数字控制作为一项可行的技术，在无需OEM系统设计师增加额外设计工作量的条件下，能够为最终用户提供性能、成本、可靠性以及功率密度方面的改善。如果需要，还可以在不增加成本和封装密度的条件下，为BMPS增加一个系统电源管理接口。

作者：Per-JohanWiberg, 爱立信美国电源公司

TorbjornHolmberg,爱立信瑞典电源公司