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數(shù)字控制技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2010-08-31

中心議題:
  • 數(shù)字控制技術(shù)案例研究設(shè)計(jì)
  • 數(shù)字控制技術(shù)性能比較
解決方案:
  • 數(shù)字設(shè)計(jì)的效率高于模擬設(shè)計(jì)
  • 在封裝密度方面數(shù)字設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)
  • .數(shù)字設(shè)計(jì)大大地減少了元器件數(shù)量

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。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的最終用戶都可以采用傳統(tǒng)的方式來使用器件,而無需額外的系統(tǒng)級(jí)數(shù)字技術(shù)。

比較依賴了實(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是愛立信公司的PMH8918L負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器。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,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)字控制本身為用戶帶來的好處之外,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。

案例研究設(shè)計(jì)

1.現(xiàn)有的18A模擬產(chǎn)品
  
愛立信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)算出來的MTBF為380萬小時(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。



圖1PMH8918L模擬設(shè)計(jì)與尺寸優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計(jì)的比較。[page]
  
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。通過仔細(xì)選擇MOSFET,并將MOSFET的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之和減到最小,來實(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)和開關(guān)損耗降低,從而實(shí)現(xiàn)了滿負(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。這種POL穩(wěn)壓器的開關(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,不過它并不影響設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、標(biāo)準(zhǔn)的和高性價(jià)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(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。



圖2PMH8918L模擬設(shè)計(jì)與輸出優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計(jì)的比較。
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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)最終用戶來說是一個(gè)最重要的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于上述的其它參數(shù),總體說來兩種數(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,將是一個(gè)難以接受的方案。


圖3模擬設(shè)計(jì)方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃

圖420A數(shù)字設(shè)計(jì)方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃

圖540A數(shù)字設(shè)計(jì)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(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。
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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。順便說明,對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)來說,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)將是非常有趣的問題。
  
40A的數(shù)字設(shè)計(jì)專為大電流作了優(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)的熱量來看,這導(dǎo)致了較高的功率密度。先前模擬設(shè)計(jì)的尺寸受元器件封裝密度的限制,而這類的數(shù)字設(shè)計(jì)的尺寸則主要受限于對(duì)BMPS進(jìn)行散熱的散熱器結(jié)構(gòu)。也就是說,如果采用傳統(tǒng)的封裝材料和冷卻通道,用這種尺寸的BMPS來產(chǎn)生40A電流,將需要額外地考慮最終用戶設(shè)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(duì)最終用戶來說具有同等的重要性。下面將會(huì)提到,數(shù)字設(shè)計(jì)的元器件的減少,對(duì)所實(shí)現(xiàn)的高封裝密度貢獻(xiàn)很大。我們計(jì)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(wěn)壓器的電路板上每cm3所實(shí)現(xiàn)的輸出電流,單位為A/cm3。第二種則是傳統(tǒng)的功率密度,根據(jù)3.3VPOL穩(wěn)壓器最大輸出功率來計(jì)算,單位是W/cm3。
  
對(duì)于20A的數(shù)字POL穩(wěn)壓器來說,其電流密度比參考模擬設(shè)計(jì)高289%,功率密度則提高了307%。而40A的數(shù)字POL穩(wěn)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(duì)于模擬設(shè)計(jì),20A的數(shù)字設(shè)計(jì)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(duì)于40A的數(shù)字設(shè)計(jì)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(shù)量
  
所參考的模擬POL穩(wěn)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(nèi)。采用相同的計(jì)算規(guī)則,20A數(shù)字設(shè)計(jì)所用的元器件為24枚,而40A數(shù)字設(shè)計(jì)的元器件則為41枚。如上所述,數(shù)字設(shè)計(jì)中元器件數(shù)量的減少是導(dǎo)致功率密度提高的根本原因。元器件數(shù)量的減少,除了可以改善封裝之外,在未來利用數(shù)字控制的設(shè)計(jì)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,所以說模擬設(shè)計(jì)的成本結(jié)構(gòu)非常清晰。而數(shù)字設(shè)計(jì)位于一個(gè)原型內(nèi)且只采用部分元器件,例如數(shù)字控制芯片,這類器件都是最近最新引進(jìn)的,因而還沒有一個(gè)完善的定價(jià)機(jī)制。進(jìn)一步說,我們期望隨著數(shù)字控制技術(shù)的普遍采用,一些專用的元器件價(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(shù)字技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)更高的集成度以及更高水平的電氣和封裝性能,我們堅(jiān)信數(shù)字方案很快就會(huì)為絕大多數(shù)用戶提供非常高的價(jià)值。

5.可靠性
  
對(duì)于原型數(shù)字設(shè)計(jì)目前還沒有詳細(xì)的可靠性計(jì)算。18A模擬設(shè)計(jì)所計(jì)算出來的MTBF為380萬小時(shí)。在兩種數(shù)字設(shè)計(jì)中采用了與模擬設(shè)計(jì)中相同的元器件降額設(shè)計(jì)方法。在數(shù)字設(shè)計(jì)的某些方面,元器件數(shù)量的減少將會(huì)更好地補(bǔ)償電流的增加。通常,數(shù)字設(shè)計(jì)中的高集成度和較少的元器件內(nèi)部互聯(lián)將預(yù)示著具有更高的可靠性。

通過本案例的研究,相對(duì)于模擬設(shè)計(jì)來說,在POL穩(wěn)壓器的數(shù)字控制功能方面可以得出以下幾個(gè)結(jié)論:

1.數(shù)字控制穩(wěn)壓器的通用電氣性能要等同于或者優(yōu)于模擬設(shè)計(jì);
2.對(duì)于同樣的輸出電流,數(shù)字設(shè)計(jì)的效率高于模擬設(shè)計(jì)。效率提高超過1%是可能的;
3.在封裝密度方面數(shù)字設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。這樣,可以設(shè)計(jì)更小的BMPS,或者在標(biāo)準(zhǔn)的封裝內(nèi)可以提高可用功率;
4.與模擬POL穩(wěn)壓器相比,數(shù)字設(shè)計(jì)可以大大地提高電流和功率密度,提高幅度可以達(dá)到289%-330%;
5.隨著40A數(shù)字設(shè)計(jì)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(shù)字設(shè)計(jì)大大地減少了元器件數(shù)量,20A數(shù)字設(shè)計(jì)減少了58%,而40A數(shù)字設(shè)計(jì)則減少了29%;
7.雖然還無法提供詳細(xì)的成本分析,與模擬BMPS相比,數(shù)字設(shè)計(jì)有望能為用戶提供更突出的價(jià)值;
8.由于元器件數(shù)量減少并提高了集成度,在進(jìn)行MTBF預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí),數(shù)字設(shè)計(jì)相對(duì)于模擬設(shè)計(jì)將具有更高的可靠性。
  
總的來說,數(shù)字控制作為一項(xiàng)可行的技術(shù),在無需OEM系統(tǒng)設(shè)計(jì)師增加額外設(shè)計(jì)工作量的條件下,能夠?yàn)樽罱K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(gè)系統(tǒng)電源管理接口。
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