數字控制技術：改善功率密度及電源管理功能的高招

　　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。

　　在本案例研究中，為數字控制POL穩壓器加入了一個新型信號接口，不過它并不影響設計的性能，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，該連接器可以用來與系統級電源管理電路進行通信并配置POL穩壓器。設計中引入連接器時，并不影響封裝尺寸。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，該設計中采用了并聯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。所用的控制芯片與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2 PMH8918L模擬設計與輸出優化的數字設計的比較。

　　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、噪聲和動態響應。但由于篇幅有限，這里只詳細地討論效率，因為它對最終用戶來說是一個最重要的關鍵參數。對于上述的其它參數，總體說來兩種數字設計的性能要 等同于或更高于模擬設計。參考資料［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。對于這類產品，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4 20A數字設計方案的效率，Vout=3.3V，T=25℃

　　圖5 40A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系。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范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于輔助電 路的減少、空閑時間控制以及更優化的功率傳遞。

　　由于基準模擬POL穩壓器的特性是在12V的輸入電壓下獲得的，故在數字設計中也采用相同的輸入電壓以便比較。順便說明，對于數字設計來說，采 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%）。關于這點在研究整體電源系統優化時將是非 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范圍內的效率性能曲線上。當輸出電流低于10A時，它包括了18A模擬設計的