数字控制技术：改善功率密度及电源管理功能的高招

寸。图1右所示的是一个完整的20A尺寸优化的数字设计。

3. 输出优化的40A设计

　　构建的另一个数控POL稳压器的尺寸与模拟PMH8918L基本相同，但输出电流得到了提高。最终的尺寸比模拟设计的尺寸略小一点，为30.0x20.0x8.5mm。而该POL稳压器的输出电流提高到了40A。

　　为了提供更高的输出电流，该设计中采用了并联MOSFET。FET器件的选用准则与尺寸优化设计中相同。图2右上方的FET的参数如下：RDS-ON为1.7mΩ，Qg为60nC。而图2右下方的FET相应参数则分别为0.6mΩ和141nC。电感为0.82μH而电阻为1.7mΩ，进一步降低了电阻损耗。该设计的开关频率也是320kHz。所用的控制芯片与20A数字设计中的相同。

　　图2右显示的是40A输出优化设计的照片。

图2 PMH8918L模拟设计与输出优化的数字设计的比较。

性能比较

　　根据通常所采用的电气性能参数对上述三种设计进行了表征。这些参数包括输出能力、负载调整、效率、纹波、噪声和动态响应。但由于篇幅有限，这里只详细地讨论效率，因为它对最终用户来说是一个最重要的关键参数。对于上述的其它参数，总体说来两种数字设计的性能要等同于或更高于模拟设计。参考资料[3]中给出了一些初步的比较结果。

1. 效率

　　比较中所用的PMH8918L是一款大电流POL稳压器。对于这类产品，转换效率是最重要的，因为它对系统的热设计、最终封装密度、以及确定终端设备所需的输入电源具有很大的影响。因此，如果要求数字设计在效率上进行折衷的话，将是一个难以接受的方案。

图3 模拟设计方案的效率，Vout=3.3V,T=25℃

图4 20A数字设计方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃

图5 40A数字设计方案的效率,Vout=3.3V,T=25℃

　　图3、4、5中的曲线分别为上述三种设计的效率与输出电流的关系。每组数据都是在输入电压为12V，输出电压为3.3V以及环境温度为25℃的条件下获得的。比较20A的数字设计和18A的模拟设计，发现尽管数字模块的尺寸小了许多，但数字设计在全部的负载范围上的效率都得到了改善。在半负载点上，数字POL稳压器的效率改善了1.1%（为93.8%），而在满负载点上效率提高了1.2%(达到92.5%)。数字设计效率的改善主要归功于辅助电路的减少、空闲时间控制以及更优化的功率传递。

　　由于基准模拟POL稳压器的特性是在12V的输入电压下获得的，故在数字设计中也采用相同的输入电压以便比较。顺便说明，对于数字设计来说，采用更低的输入电压时效率会更高。例如，当输入电压为9.6V时，在半负载点上效率又提高1%(达到94.8%)。关于这点在研究整体电源系统优化时将是非常有趣的问题。

　　40A的数字设计专为大电流作了优化，这反映在图5中15-30A范围内的效率性能曲线上。当输出电流低于10A时，它包括了18A模拟设计的可用工作范围的绝大部分，其效率要比模拟POL稳压器略微低一些，这是由于较高的开关损耗所致。但在半负载点上(20A)，其效率达到93.7%，比相同输出电流的模拟设计提高了2.4%。即便是在40A的满负载点上，效率仍达91.9%，也比相应的模拟POL稳压器高0.6%。故在所有关注的设计范围内，40A数字设计的效率也优于模拟设计。改善的原因归结于所采用的元器件数量与20A设计一样多。而当输入电压为9.6V时，40A设计的效率也能够再提高1%。

　　尽管40A数字设计的效率比模拟POL稳压器高且尺寸相当，但由于它的输出功率和电流提高了一倍，其功耗还是比较大。从需要从BMPS上散发的热量来看，这导致了较高的功率密度。先前模拟设计的尺寸受元器件封装密度的限制，而这类的数字设计的尺寸则主要受限于对BMPS进行散热的散热器结构。也就是说，如果采用传统的封装材料和冷却通道，用这种尺寸的BMPS来产生40A电流，将需要额外地考虑最终用户设备中的热管理和环境温度。

2. 封装密度

　　封装密度主要受效率的影响，这对最终用户来说具有同等的重要性。下面将会提到，数字设计的元器件的减少，对所实现的高封装密度贡献很大。我们计算封装密度时采用了两种方法。第一种是单位面积电流密度，即POL稳压器的电路板上每cm3所实现的输出电流，单位为A/cm3。第二种则是传统的功率密度，根据3.3VPOL稳压器最大输出功率来计算，单位是W/cm3。

　　对于20A的数字POL稳压器来说，其电流密度比参考模拟设计高289%，功率密度则提高了307%。而40A的数字POL稳压器的两种密度值分别提高了312%和330%。需要指出的另一点是，相对于模拟设计，20A的数字设计在电路板面积减少61%的同时，输出电流还额外提高了2A。而对于40A的数字设计而言，输出电流增加了22A(122%)，电路板面积却减小了28%。

3. 元器件数量

所参考的模拟POL稳压器总共