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功率技術/新能源  

運用數位控制技術提高功率密度

上網時間: 2007年08月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:板載電源  穩壓器  效率  BMPS  regulator 

本文針對板載電源(BMPS)中的數位技術方案與傳統類比方案進行了詳細的比較與分析。該分析是以實際產品設計為基礎所進行的案例研究。分析證明,用數位技術取代某些類比技術,能夠在不增加任何成本和複雜度的條件下,為用戶帶來性能的提高。特別是功率密度可獲得極大改善。此外,分析還發現,透過在基本設計中增加一個簡單的高性價比通訊介面,還可以實現額外的數位電源管理功能。

在一個電源系統中,有許多地方可以採用數位技術,首先是電源內部電路本身,其次是在系統級實現功率管理和監控功能。本文將針對第一種情況進行詳細討論。文中比較了板載電源(BMPS)的內部控制功能採用數位技術和傳統類比方法的系統級實現效果。對於比較中所提到的每一種方案,BMPS的用戶都可以採用傳統方式來使用元件,無需額外的系統級數位技術。這項比較以實際案例為基礎,利用實際產品作為參考基準。

這項研究使用了兩種數位設計方案。一種是尺寸最佳化設計,它提供與類比設計相近的輸出功率,但具有較小的實體尺寸。另一種方案則是輸出最佳化設計,即維持與類比設計類似的外形尺寸,但使輸出功率增加。在所有的設計方法中,基本的功率傳遞拓樸結構保持不變,將比較的焦點集中在如何利用數位控制技術實現設計靈活度方面。這項比較將專注於電氣性能、效率、元件數量、功率密度、成本和可靠性,並以最終用戶觀點,而非BMPS設計師的利益來進行。

本案例比較中所用的BMPS是易利信公司的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。該產品是採用類比控制的負載點穩壓器。

除了考慮POL穩壓器的數位控制本身為用戶帶來的好處之外,本文所述的案例在數位部份還增加了一個新的介面連接器,使得電源系統可隨意利用數位電源管理技術。該連接器的增加並不改變POL性能,或者說不會改變類比和數位控制方法學的比較結果。該連接器的增加,證明了這項可選系統功能的實現對BMPS的成本和體積並沒有實質的不利影響。

案例研究設計

1. 現有的18A類比產品

易利信PMH8918L負載點(POL)穩壓器的額定輸出電流為18A。它採用非隔離同步降壓技術,具有一個傳統的類比控制迴路,開關頻率為320kHz。其輸出電壓3.3V時的效率大於92%,計算出的MTBF為380萬小時。

上方MOSFET的RDS-ON為8.8mΩ,閘極電荷Qg為11nC。而下方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。

PMH8918LPOL穩壓器的尺寸為38.1x22.1x9.0mm。穿孔版的圖片如圖1所示。

圖1
圖1

2. 尺寸最佳化的20A數位設計

建構的數位控制POL穩壓器能夠提供與類比PMH8918L大致相同的輸出電流和功率。所採用的基本拓樸結構是一樣的。為了最佳化尺寸,重新佈局了PCB。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。

重點是應該知道在該設計中,已經能大幅減小尺寸,這是因為減少了與數位控制相關的元件數量。高整合度省去了類比設計中所用的幾個輔助分離式元件。透過仔細選擇MOSFET,並將MOSFET的開關損耗和傳導損耗和減到最小,可實現效率的最佳化。上方FET的RDS-ON為3.4mΩ,Qg為30nC;而下方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。由於新元件RDS-ON的降低,加上源極電感的減少,使得總傳導和開關損耗降低,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的銅覆蓋量也有所改變,改進了熱管理,降低了傳導損耗。

本設計中所用的控制晶片具備‘效率最佳化的空載時間控制’功能。該功能可提升效率。

在本案例研究中,為數位控制POL穩壓器加入了一個新型訊號介面,不過它並不影響設計性能,也並非基本功能所必須。並未採用適合電源連接的大電流接腳,而是設計了一個簡單的、標準的和高性價比的10芯連接器。如果最終用戶需要,該連接器可用來與系統級電源管理電路進行通訊並配置POL穩壓器。設計中導入連接器時,並不影響封裝尺寸。圖2所示為一個完整的20A尺寸最佳化數位設計。

圖2:輸出最佳化的數位設計。
圖2:輸出最佳化的數位設計。

3. 輸出最佳化的40A設計

本文建構的另一個數位控制POL穩壓器尺寸與類比PMH8918L基本上相同,但提高了輸出電流。最終的尺寸比類比設計尺寸略小一些,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,該設計中採用了並聯MOSFET。FET元件的選用準則與尺寸最佳化設計中相同。上方FET的參數如下:RDS-ON為1.7mΩ,Qg為60nC。而下方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。該設計開關頻率也是320kHz。所用的控制晶片與20A數位設計中的相同。

圖3顯示了40A輸出最佳化設計。\

圖3:類比設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃。
圖3:類比設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃。

性能比較

根據通常所採用的電氣性能參數,對上述三種設計進行了特徵化。這些參數包括輸出能力、負載調整、效率、漣波、噪音和動態響應。限於篇幅,此處僅探討效率,因為它對最終用戶來說是最重要的關鍵參數。針對上述的其它參數,整體而言,兩種數位設計性能要等同於或更高於類比設計。

1. 效率

比較中所用的PMH8918L是一款大電流POL穩壓器。針對這類產品,轉換效率是最重要的,因為它對系統的熱設計、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,如果要求數位設計在效率上進行折衷,將是一個難以接受的方案。

圖4、5、6中的曲線分別為上述三種設計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的數位設計和18A的類比設計,可發現儘管數位模組的尺寸小了許多,但數位設計在全部負載範圍上的效率都得到了改善。在半負載點上,數位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%)。數位設計效率的改善主要歸功於輔助電路的減少、空閒時間控制以及最佳化的功率傳遞。

圖4:20A數位設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃。
圖4:20A數位設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃。

圖5:40A數位設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃。
圖5:40A數位設計方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃。

圖6
圖6

由於基準類比POL穩壓器的特性是在12V的輸入電壓下獲得的,故在數位設計中也採用相同的輸入電壓以便比較。順便說明,對數位設計來說,採用更低的輸入電壓時效率會更高。例如,當輸入電壓為9.6V時,在半負載點上效率又提高1%(達到94.8%)。關於這點,在研究整體電源系統最佳化時將是非常有趣的問題。

40A的數位設計專為大電流進行了最佳化,這反映在圖6中15~30A範圍內的效率性能曲線上。當輸出電流低於10A時,它包含了18A類比設計可用工作範圍的絕大部份,其效率要比類比POL穩壓器略低一些,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%,比相同輸出電流的類比設計提高了2.4%。即使在40A的滿負載點上,效率仍達91.9%,也比相應的類比POL穩壓器高0.6%。故在所有關注的設計範圍內,40A數位設計效率也優於類比設計。改善的原因歸結於所採用的元件數量與20A設計一樣多。而當輸入電壓為9.6V時,40A設計效率也能夠再提高1%。

儘管40A數位設計效率比類比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上散發的熱量來看,這導致了較高的功率密度。先前類比設計尺寸受元件封裝密度的限制,而這類數位設計尺寸則主要受限於對BMPS進行散熱的散熱器結構。也就是說,如果採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

封裝密度主要受效率影響,這對最終用戶來說具有相同的重要性。以下將會提到,數位設計元件的減少,對所實現的高封裝密度貢獻很大。我們計算封裝密度時採用了兩種方法。第一種是單位面積電流密度,即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的數位POL穩壓器來說,其電流密度比參考類比設計高289%,功率密度則提高了307%。而40A數位POL穩壓器的兩種密度值分別提高了312%和330%。需指出的另一點是,相對於類比設計,20A的數位設計在電路板面積減少61%的同時,輸出電流還額外提高了2A。而對於40A的數位設計而言,輸出電流增加了22A(122%),電路板面積卻減少了28%。

3. 元件數量

所參考的類比POL穩壓器總共採用了58個元件,此處不包含連接器接腳,但PCB作為一個元件被包含在內。採用相同的計算規則,20A數位設計所用的元件為24顆,而40A數位設計元件則為41顆。如上所述,數位設計中元件數量的減少是導致功率密度提高的根本原因。元件數量的減少,除了可改善封裝之外,在未來利用數位控制的設計中,還可望在降低成本和提高可靠性方面發揮重要作用。

4. 成本

PMH8918L的類比設計成本結構非常清晰。而數位設計是在一個原型設計內,且只採用部份元件,如數位控制晶片,這類元件都是最近引進的,尚未有完善的定價機制。進一步說,我們期望隨著數位控制技術的普遍採用,一些專用的元件價格將會下降。因此我們不提供具體的成本分析。但由於數位技術可能實現更高的整合度以及更高的電氣和封裝性能,我們堅信,數位方案很快就會為絕大多數用戶提供非常高的價值。

5. 可靠性

對於原型數位設計來說,目前還沒有詳細的可靠性計算方式。18A類比設計所計算的MTBF為380萬小時。在兩種數位設計中採用了與類比設計中相同的元件降額設計方法。在數位設計某些方面,元件數量的減少將會更好地補償電流的增加。通常,數位設計中的高整合度和較少的元件內部互連,也意味著更高的可靠性。

本文小結

透過本案例的研究,相對於類比設計來說,在POL穩壓器的數位控制功能方面可以得出以下幾個結論:

1. 數位控制穩壓器的通用電氣性能要等同於或優於類比設計;

2. 對於同樣的輸出電流,數位設計效率高於類比設計。效率提高超過1%是可能的;

3. 在封裝密度方面,數位設計具有明顯的優勢。可設計更小的BMPS,或在標準的封裝內提高可用功率;

4. 與類比POL穩壓器相較,數位設計可大幅提高電流和功率密度,提高幅度可達289%-330%;

5. 隨著40A數位設計整合度的提高,散熱將超過元件面積而成為約束封裝的主要條件;

6. 數位設計大幅減少了元件數量,20A數位設計減少了58%,而40A數位設計則減少了29%;

7. 雖然還無法提供詳細的成本分析,與類比BMPS相較,數位設計可望能為用戶提供更高價值;

8. 由於元件數量減少並提高了整合度,在進行MTBF預測計算時,數位設計相對於類比設計將具有更高的可靠性。

整體而言,作為一項可行的技術,數位控制能在無需OEM系統設計師增加額外工作量的條件下,為最終用戶提供性能、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增加一個系統電源管理介面。

作者:Per-JohanWiberg,

美國易利信電源模組公司

TorbjornHolmberg

瑞典易利信電源模組公司




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