数字控制技术：改善功率密度及电源管理功能的高招

　　本设计中所用的控制芯片具备“效率优化的空载时间控制”功能。该功能导致了效率的提高，这将在下面进行论证。在参考资料［2］中可以看到有关该技术的更多细节。这种POL稳压器的开关频率为320kHz。

　　在本案例研究中，为数字控制POL稳压器加入了一个新型信号接口，不过它并不影响设计的性能，也并非基本功能所必需。没有采用适合电源连接的大电流引脚，而是设计了一个简单的、标准的和高性价比的10芯连接器。如果最终用户需要，该连接器可以用来与系统级电源管理电路进行通信并配置POL稳压器。设计中引入连接器时，并不影响封装尺寸。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