中心議題：

• 數字控製技術案例研究設計
• 數字控製技術性能比較

解決方案：

• 數字設計的效率高於模擬設計
• 在封裝密度方麵數字設計具有明顯的優點
• .數字設計大大地減少了元器件數量

zaiyigedianyuanxitongzhongyouxuduodifangkeyicaiyongshuzijishu，yigeshidianyuanneibudianlubenshen
，haiyoujiushizaixitongjishixiangonglvguanlihejiankonggongneng。benwenjiangzhenduidiyizhongqingkuangjinxingxiangxitaolun。wenzhongbijiaolebanzaidianyuan(BMPS)的內部控製功能采用數字技術和更傳統的模擬方法的係統級實現效果。對於比較中所提到的每一個方案，BMPS的最終用戶都可以采用傳統的方式來使用器件，而無需額外的係統級數字技術。

比(bi)較(jiao)依(yi)賴(lai)了(le)實(shi)際(ji)的(de)案(an)例(li)研(yan)究(jiu)，利(li)用(yong)了(le)實(shi)際(ji)的(de)產(chan)品(pin)單(dan)元(yuan)作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)基(ji)準(zhun)。研(yan)究(jiu)中(zhong)使(shi)用(yong)了(le)兩(liang)種(zhong)數(shu)字(zi)設(she)計(ji)方(fang)案(an)。一(yi)種(zhong)是(shi)尺(chi)寸(cun)優(you)化(hua)設(she)計(ji)，它(ta)提(ti)供(gong)與(yu)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)相(xiang)近(jin)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)
，但(dan)具(ju)有(you)較(jiao)小(xiao)的(de)物(wu)理(li)尺(chi)寸(cun)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)則(ze)是(shi)輸(shu)出(chu)優(you)化(hua)設(she)計(ji)
，即(ji)維(wei)持(chi)與(yu)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)類(lei)似(si)的(de)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)

，但(dan)使(shi)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)增(zeng)加(jia)。在(zai)所(suo)有(you)的(de)三(san)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)中(zhong)，基(ji)本(ben)的(de)功(gong)率(lv)傳(chuan)遞(di)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)
，從(cong)而(er)將(jiang)比(bi)較(jiao)的(de)焦(jiao)點(dian)集(ji)中(zhong)在(zai)如(ru)何(he)利(li)用(yong)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)實(shi)現(xian)設(she)計(ji)的(de)靈(ling)活(huo)度(du)方(fang)麵(mian)。比(bi)較(jiao)中(zhong)感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)一(yi)些(xie)方(fang)麵(mian)包(bao)括(kuo)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)、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而不是BMPS設計師的利益角度上進行的。
　　
本案例比較中所用的BMPS是愛立信公司的PMH8918L負載點(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(gai)產(chan)品(pin)是(shi)一(yi)款(kuan)最(zui)新(xin)的(de)產(chan)品(pin)
，其(qi)多(duo)項(xiang)指(zhi)標(biao)都(dou)具(ju)有(you)競(jing)爭(zheng)性(xing)，所(suo)以(yi)它(ta)是(shi)使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)的(de)負(fu)載(zai)點(dian)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)最(zui)好(hao)代(dai)表(biao)。在(zai)先(xian)前(qian)發(fa)表(biao)的(de)文(wen)章(zhang)中(zhong)
，曾(zeng)經(jing)估(gu)計(ji)到(dao)對(dui)於(yu)相(xiang)同(tong)的(de)18A的輸出電流
，采用數字技術可以使PCB麵積減小40-50%，或者說，對於相同的封裝尺寸，輸出電流可以增加到35A。本文將證明在采用數字控製技術時，這些估計實際上還太過保守
，甚至有可能實現更高的功率和電流密度。
　　
除了考慮POL穩壓器的數字控製本身為用戶帶來的好處之外，在數字部分還增加了一個新的接口連接器，從而使得電源係統中可以隨意地利用數字電源管理技術。該連接器的增加並不改變POL的性能
，或者說不會改變模擬和數字控製方法學的比較結果。該連接器的增加
，證明了這項可選係統功能的實現對BMPS的成本和體積並沒有實質的不利影響。
　　
如上所述，本文內容局限於BMPS層級上的技術和性能的折衷。為了獲取更多的相關內容
，包括數字技術在電源係統管理領域中的擴展。

案例研究設計

1.現有的18A模擬產品
　　
愛立信PMH8918L負載點(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，帶有一個傳統的模擬控製環路，開關頻率為320kHz。輸出電壓可編程，範圍為1.2-5.5V，輸入電壓為12V。輸出電壓為3.3V時的效率大於92%，計算出來的MTBF為380萬小時。
　　
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zhong要yao的de是shi應ying該gai知zhi道dao在zai該gai設she計ji中zhong，已yi經jing將jiang尺chi寸cun大da幅fu減jian小xiao變bian為wei可ke能neng，這zhe是shi因yin為wei減jian少shao了le與yu數shu字zi控kong製zhi實shi現xian相xiang關guan的de元yuan器qi件jian數shu量liang。高gao集ji成cheng度du省sheng去qu了le模mo擬ni設she計ji中zhong所suo用yong的de幾ji個ge輔fu助zhu分fen立li器qi件jian。通tong過guo仔zai細xi選xuan擇zeMOSFET，並將MOSFET的開關損耗和傳導損耗之和減到最小，來實現效率的最優化。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。由於新器件RDS-ON的降低
，加上源極電感的減小，使得總的傳導和開關損耗降低，從而實現了滿負載時的最佳效率。輸出電感為1.0μH，電阻為2.3mΩ。另外PCB的覆銅量也有所改變

，從而改進了熱管理，降低了傳導損耗。
　　
本設計中所用的控製芯片具備“效率優化的空載時間控製”功能。該功能導致了效率的提高
，這將在下麵進行論證。這種POL穩壓器的開關頻率為320kHz。
　　
在本案例研究中，為數字控製POLwenyaqijiaruleyigexinxingxinhaojiekou，buguotabingbuyingxiangshejidexingneng，yebingfeijibengongnengsuobixu。meiyoucaiyongshihedianyuanlianjiededadianliuyinjiao，ershishejileyigejiandande
、標準的和高性價比的10芯連接器。如果最終用戶需要，該連接器可以用來與係統級電源管理電路進行通信並配置POL穩壓器。設計中引入連接器時，並不影響封裝尺寸。圖1右所示的是一個完整的20A尺寸優化的數字設計。

3.輸出優化的40A設計
　　
構建的另一個數控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，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，該設計中采用了並聯MOSFET。FET器件的選用準則與尺寸優化設計中相同。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，進一步降低了電阻損耗。該設計的開關頻率也是320kHz。所用的控製芯片與20A數字設計中的相同。
　　
圖2右顯示的是40A輸出優化設計的照片。



圖2PMH8918L模擬設計與輸出優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行了表征。這些參數包括輸出能力、負載調整、效率
、紋波
、zaoshenghedongtaixiangying。danyouyupianfuyouxian，zhelizhixiangxiditaolunxiaolv

，yinweitaduizuizhongyonghulaishuoshiyigezuizhongyaodeguanjiancanshu。duiyushangshudeqitacanshu，zongtishuolailiangzhongshuzishejidexingnengyaodengtongyuhuogenggaoyumonisheji。cankaoziliao[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。對於這類產品，轉換效率是最重要的，因為它對係統的熱設計

、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行折衷的話，將是一個難以接受的方案。


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中的曲線分別為上述三種設計的效率與輸出電流的關係。每組數據都是在輸入電壓為12V，輸出電壓為3.3V以及環境溫度為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範圍上的效率都得到了改善。在半負載點上
，數字POL穩壓器的效率改善了1.1%（為93.8%）
，而在滿負載點上效率提高了1.2%(達到92.5%)。數字設計效率的改善主要歸功於輔助電路的減少
、空閑時間控製以及更優化的功率傳遞。
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由於基準模擬POL穩壓器的特性是在12V的de輸shu入ru電dian壓ya下xia獲huo得de的de，故gu在zai數shu字zi設she計ji中zhong也ye采cai用yong相xiang同tong的de輸shu入ru電dian壓ya以yi便bian比bi較jiao。順shun便bian說shuo明ming，對dui於yu數shu字zi設she計ji來lai說shuo
，采cai用yong更geng低di的de輸shu入ru電dian壓ya時shi效xiao率lv會hui更geng高gao。例li如ru，當dang輸shu入ru電dian壓ya為wei9.6V時
，在半負載點上效率又提高1%(達到94.8%)。關於這點在研究整體電源係統優化時將是非常有趣的問題。
　　
40A的數字設計專為大電流作了優化，這反映在圖5中15-30A範圍內的效率性能曲線上。當輸出電流低於10A時
，它包括了18A模擬設計的可用工作範圍的絕大部分
，其效率要比模擬POL穩壓器略微低一些，這是由於較高的開關損耗所致。但在半負載點上(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的滿負載點上，效率仍達91.9%，也比相應的模擬POL穩壓器高0.6%。故在所有關注的設計範圍內，40A數字設計的效率也優於模擬設計。改善的原因歸結於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，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，但由於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shang散san發fa的de熱re量liang來lai看kan，這zhe導dao致zhi了le較jiao高gao的de功gong率lv密mi度du。先xian前qian模mo擬ni設she計ji的de尺chi寸cun受shou元yuan器qi件jian封feng裝zhuang密mi度du的de限xian製zhi


，而er這zhe類lei的de數shu字zi設she計ji的de尺chi寸cun則ze主zhu要yao受shou限xian於yu對duiBMPS進行散熱的散熱器結構。也就是說，如果采用傳統的封裝材料和冷卻通道，用這種尺寸的BMPS來產生40A電流，將需要額外地考慮最終用戶設備中的熱管理和環境溫度。

2.封裝密度
　　
封(feng)裝(zhuang)密(mi)度(du)主(zhu)要(yao)受(shou)效(xiao)率(lv)的(de)影(ying)響(xiang)，這(zhe)對(dui)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)來(lai)說(shuo)具(ju)有(you)同(tong)等(deng)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)。下(xia)麵(mian)將(jiang)會(hui)提(ti)到(dao)，數(shu)字(zi)設(she)計(ji)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)減(jian)少(shao)，對(dui)所(suo)實(shi)現(xian)的(de)高(gao)封(feng)裝(zhuang)密(mi)度(du)貢(gong)獻(xian)很(hen)大(da)。我(wo)們(men)計(ji)算(suan)封(feng)裝(zhuang)密(mi)度(du)時(shi)采(cai)用(yong)了(le)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)。第(di)一(yi)種(zhong)是(shi)單(dan)位(wei)麵(mian)積(ji)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)
，即(ji)POL穩壓器的電路板上每cm3所實現的輸出電流
，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計算，單位是W/cm3。
　　
對於20A的數字POL穩壓器來說
，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%。需要指出的另一點是
，相對於模擬設計，20A的數字設計在電路板麵積減少61%的同時，輸出電流還額外提高了2A。而對於40A的數字設計而言，輸出電流增加了22A(122%)，電路板麵積卻減小了28%。

3.元器件數量
　　
所參考的模擬POL穩壓器總共采用了58個元器件，這裏不包含連接器引腳，但PCB作為一個元件被包含在內。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mei。如ru上shang所suo述shu，數shu字zi設she計ji中zhong元yuan器qi件jian數shu量liang的de減jian少shao是shi導dao致zhi功gong率lv密mi度du提ti高gao的de根gen本ben原yuan因yin。元yuan器qi件jian數shu量liang的de減jian少shao，除chu了le可ke以yi改gai善shan封feng裝zhuang之zhi外wai，在zai未wei來lai利li用yong數shu字zi控kong製zhi的de設she計ji中zhong
，還hai有you望wang在zai降jiang低di成cheng本ben和he提ti高gao可ke靠kao性xing方fang麵mian發fa揮hui重zhong要yao的de積ji極ji作zuo用yong。

4.成本
　　
由於PMH8918L是shi一yi個ge產chan品pin單dan元yuan
，所suo以yi說shuo模mo擬ni設she計ji的de成cheng本ben結jie構gou非fei常chang清qing晰xi。而er數shu字zi設she計ji位wei於yu一yi個ge原yuan型xing內nei且qie隻zhi采cai用yong部bu分fen元yuan器qi件jian

，例li如ru數shu字zi控kong製zhi芯xin片pian，這zhe類lei器qi件jian都dou是shi最zui近jin最zui新xin引yin進jin的de，因yin而er還hai沒mei有you一yi個ge完wan善shan的de定ding價jia機ji製zhi。進jin一yi步bu說shuo
，我wo們men期qi望wang隨sui著zhe數shu字zi控kong製zhi技ji術shu的de普pu遍bian采cai用yong，一yi些xie專zhuan用yong的de元yuan器qi件jian價jia格ge將jiang會hui下xia降jiang。因yin此ci這zhe裏li我wo們men不bu提ti供gong具ju體ti的de成cheng本ben分fen析xi。但dan由you於yu數shu字zi技ji術shu可ke能neng實shi現xian更geng高gao的de集ji成cheng度du以yi及ji更geng高gao水shui平ping的de電dian氣qi和he封feng裝zhuang性xing能neng，我wo們men堅jian信xin數shu字zi方fang案an很hen快kuai就jiu會hui為wei絕jue大da多duo數shu用yong戶hu提ti供gong非fei常chang高gao的de價jia值zhi。

5.可靠性
　　
對於原型數字設計目前還沒有詳細的可靠性計算。18A模擬設計所計算出來的MTBF為380萬wan小xiao時shi。在zai兩liang種zhong數shu字zi設she計ji中zhong采cai用yong了le與yu模mo擬ni設she計ji中zhong相xiang同tong的de元yuan器qi件jian降jiang額e設she計ji方fang法fa。在zai數shu字zi設she計ji的de某mou些xie方fang麵mian，元yuan器qi件jian數shu量liang的de減jian少shao將jiang會hui更geng好hao地di補bu償chang電dian流liu的de增zeng加jia。通tong常chang

，數shu字zi設she計ji中zhong的de高gao集ji成cheng度du和he較jiao少shao的de元yuan器qi件jian內nei部bu互hu聯lian將jiang預yu示shi著zhe具ju有you更geng高gao的de可ke靠kao性xing。

通過本案例的研究
，相對於模擬設計來說
，在POL穩壓器的數字控製功能方麵可以得出以下幾個結論：

1.數字控製穩壓器的通用電氣性能要等同於或者優於模擬設計；
2.對於同樣的輸出電流
，數字設計的效率高於模擬設計。效率提高超過1%是可能的；
3.在封裝密度方麵數字設計具有明顯的優點。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40A數字設計的集成度的提高
，散熱將超過器件麵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提供更突出的價值；
8.由於元器件數量減少並提高了集成度，在進行MTBF預測計算時
，數字設計相對於模擬設計將具有更高的可靠性。
　　
總的來說，數字控製作為一項可行的技術，在無需OEM係統設計師增加額外設計工作量的條件下，能夠為最終用戶提供性能、成本、可靠性以及功率密度方麵的改善。如果需要

，還可以在不增加成本和封裝密度的條件下，為BMPS增加一個係統電源管理接口。