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        利用數字控制技術改善功率密度和電源管理功能

        作者: 時間:2013-03-13 來源:網絡 收藏

        在一個電源系統中有許多地方可以采用數字技術,一個是電源內部電路本身,還有就是在系統級實現功率管理和監控功能[4]。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)的內部控制功能采用數字技術和更傳統的模擬方法的系統級實現效果。對于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,而無需額外的系統級數字技術。比較依賴了實際的案例研究,利用了實際的產品單元作為參考基準。研究中使用了兩種數字設計方案。一種是尺寸優化設計,它提供與模擬設計相近的輸出功率,但具有較小的物理尺寸。另一種方案則是輸出優化設計,即維持與模擬設計類似的外形尺寸,但使輸出功率增加。在所有的三種設計方法中,基本的功率傳遞拓撲結構保持不變,從而將比較的焦點集中在如何利用數字控制技術實現設計的靈活度方面。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。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/175494.htm

        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[1]。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。該產品是一款最新的產品,其多項指標都具有競爭性,所以它是使用模擬控制的負載點穩壓器的最好代表。在先前發表的文章中,曾經估計到對于相同的18A的輸出電流,采用數字技術可以使PCB面積減小40-50%,或者說,對于相同的封裝尺寸,輸出電流可以增加到35A。本文將證明在采用數字控制技術時,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穩壓器的數字控制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,從而使得電源系統中可以隨意地利用數字電源管理技術。該連接器的增加并不改變POL的性能,或者說不會改變模擬和數字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的成本和體積并沒有實質的不利影響。

        如上所述,本文內容局限于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系統管理領域中的擴展,讀者可以直接參見參考目錄[4]中的白皮書。

        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制環路,開關頻率為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時的效率大于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。

        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。

        重要的是應該知道在該設計中,已經將尺寸大幅減小變為可能,這是因為減少了與數字控制實現相關的元器件數量。高集成度省去了模擬設計中所用的幾個輔助分立器件。通過仔細選擇MOSFET,并將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。由于新器件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。

        本設計中所用的控制芯片具備“效率優化的空載時間控制”功能。該功能導致了效率的提高,這將在下面進行論證。在參考資料[2]中可以看到有關該技術的更多細節。這種POL穩壓器的開關頻率為320kHz。


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