除了考虑POL稳压器的数字控制本身为用户带来的好处之外,在数字部分还增加了一个新的接口连接器,从而使得电源系统中可以随意地利用数字电源管理技术。该连接器的增加并不改变POL的性能,或者说不会改变模拟和数字控制方法学的比较结果。该连接器的增加,证明了这项可选系统功能的实现对BMPS的成本和体积并没有实质的不利影响。
如上所述,本文内容局限于BMPS层级上的技术和性能的折衷。为了获取更多的相关内容,包括数字技术在电源系统管理领域中的扩展,读者可以直接参见参考目录[4]中的白皮书。
案例研究设计
1. 现有的18A模拟产品
爱立信PMH8?18L负载点(POL)稳压器的额定输出电流为18A。它采用非隔离的同步降压技术,带有一个传统的模拟控制环路,开关频率为320kHz。输出电压可编程,范围为1.2-5.5V,输入电压为12V。输出电压为3.3V时的效率大于92%,计算出来的MTBF为380万小时。
图1左上方MOSFET的RDS-ON为8.8mΩ,栅极电荷Qg为11nC。而图1左下方MOSFET的相应参数则分别为4.0mΩ和27nC。输出电感的额定值为1.2μH,其电阻为2.3mΩ。
图1 PMH8?18L模拟设计与尺寸优化的数字设计的比较。
PMH8?18LPOL稳压器的尺寸为38.1x22.1x9.0mm。通孔版的图片如图1左所示。
2. 尺寸优化的20A数字设计
构建的数控POL稳压器能够提供与模拟PMH8?18L大致一样的输出电流和功率。所采用的基本拓扑结构是一样的。为了优化尺寸重新设计了PCB版图。最终POL稳压器的尺寸为25.4x12.7x8.5mm,所能提供的最大输出电流为20A。
重要的是应该知道在该设计中,已经将尺寸大幅减小变为可能,这是因为减少了与数字控制实现相关的元器件数量。高集成度省去了模拟设计中所用的几个辅助分立器件。通过仔细选择MOSFET,并将MOSFET的开关损耗和传导损耗之和减到最小,来实现效率的最优化。图1右上方的FET的RDS-ON为3.4mΩ,Qg为30nC;而图1右下方的FET的相应值则分别为1.8mΩ和47nC。输出电感的额定值为1.2μH,其电阻为2.3mΩ。由于新器件RDS-ON的降低,加上源极电感的减小,使得总的传导和开关损耗降低,从而实现了满负载时的最佳效率。输出电感为1.0μH,电阻为2.3mΩ。另外PCB的覆铜量也有所改变,从而改进了热管理,降低了传导损耗。
本设计中所用的控制芯片具备“效率优化的空载时间控制”功能。该功能导致了效率的提高,这将在下面进行论证。在参考资料[2]中可以看到有关该技术的更多细节。这种POL稳压器的开关频率为320kHz。
在本案例研究中,为数字控制POL稳压器加入了一个新型信号接口,不过它并不影响设计的性能,也并非基本功能所必需。没有采用适合电源连接的大电流引脚,而是设计了一个简单的、标准的和高性价比的10芯连接器。如果最终用户需要,该连接器可以用来与系统级电源管理电路进行通信并配置POL稳压器。设计中引入连接器时,并不影响封装尺寸。图1右所示的是一个完整的20A尺寸优化的数字设计。
3. 输出优化的40A设计
构建的另一个数控POL稳压器的尺寸与模拟PMH8?18L基本相同,但输出电流得到了提高。最终的尺寸比模拟设计的尺寸略小一点,为30.0x20.0x8.5mm。而该POL稳压器的输出电流提高到了40A。
为了提供更高的输出电流,该设计中采用了并联MOSFET。FET器件的选用准则与尺寸优化设计中相同。图2右上方的FET的参数如下:RDS-ON为1.7mΩ,Qg为60nC。而图2右下方的FET相应参数则分别为0.6mΩ和141nC。电感为0.82μH而电阻为1.7mΩ,进一步降低了电阻损耗。该设计的开关频率也是320kHz。所用的控制芯片与20A数字设计中的相同。
图2右显示的是40A输出优化设计的照片。
图2 PMH8?18L模拟设计与输出优化的数字设计的比较。
性能比较
根据通常所采用的电气性能参数对上述三种设计进行了表征。这些参数包括输出能力、负载调整、效率、纹波、噪声和动态响应。但由于篇幅有限,这里只详细地讨论效率,因为它对最终用户来说是一个最重要的关键参数。对于上述的其它参数,总体说来两种数字设计的性能要等同于或更高于模拟设计。参考资料[3]中给出了一些初步的比较结果。
1. 效率
比较中所用的PMH8?18L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 模拟设计方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃
图4 20A数字设计方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃
图5 40A数字设计方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃
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。
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