利用數字控制技術改善功率密度和電源管理功能

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上散發的熱量來看，這導致了較高的功率密度。先前模擬設計的尺寸受元器件封裝密度的限制，而這類的數字設計的尺寸則主要受限于對BMPS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

封裝密度主要受效率的影響，這對最終用戶來說具有同等的重要性。下面將會提到，數字設計的元器件的減少，對所實現的高封裝密度貢獻很大。我們計算封裝密度時采用了兩種方法。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。

對于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，相對于模擬設計，20A的數字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。而對于40A的數字設計而言，輸出電流增加了22A(122%)，電路板面積卻減小了28%。

3. 元器件數量

所參考的模擬POL穩壓器總共采用了58個元器件，這里不包含連接器引腳，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。如上所述，數字設計中元器件數量的減少是導致功率密度提高的根本原因。元器件數量的減少，除了可以改善封裝之外，在未來利用數字控制的設計中，還有望在降低成本和提高可靠性方面發揮重要的積極作用。

4. 成本

由于PMH8918L是一個產品單元，所以說模擬設計的成本結構非常清晰。而數字設計位于一個原型內且只采用部分元器件，例如數字控制芯片，這類器件都是最近最新引進的，因而還沒有一個完善的定價機制。進一步說，我們期望隨著數字控制技術的普遍采用，一些專用的元器件價格將會下降。因此這里我們不提供具體的成本分析。但由于數字技術可能實現更高的集成度以及更高水平的電氣和封裝性能，我們堅信數字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

對于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380萬小時。在兩種數字設計中采用了與模擬設計中相同的元器件降額設計方法。在數字設計的某些方面，元器件數量的減少將會更好地補償電流的增加。通常，數字設計中的高集成度和較少的元器件內部互聯將預示著具有更高的可靠性。

本文小結

通過本案例的研究，相對于模擬設計來說，在POL穩壓器的數字控制功能方面可以得出以下幾個結論：

1. 數字控制穩壓器的通用電氣性能要等同于或者優于模擬設計；

2. 對于同樣的輸出電流，數字設計的效率高于模擬設計。效率提高超過1%是可能的；

3. 在封裝密度方面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，散熱將超過器件面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. 由于元器件數量減少并提高了集成度，在進行MTBF預測計算時，數字設計相對于模擬設計將具有更高的可靠性。

總的來說，數字控制作為一項可行的技術，在無需OEM系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接口。