在一个电源体系中有许多地方能够选用数字技能，一个是电源内部电路自身，还有就是在体系级完成功率办理和监控功用[4]。本文将针对第一种状况进行具体评论。文中比较了板载电源(BMPS)的内部操控功用选用数字技能和更传统的模仿办法的体系级完成作用。关于比较中所说到的每一个计划，BMPS的终究用户都能够选用传统的办法来运用器材，而无需额定的体系级数字技能。比较依靠了实践的事例研讨，运用了实践的产品单元作为参阅基准。研讨中运用了两种数字规划计划。一种是尺度优化规划，它供给与模仿规划附近的输出功率，但具有较小的物理尺度。另一种计划则是输出优化规划，即坚持与模仿规划相似的外形尺度，但使输出功率添加。在所有的三种规划办法中，根本的功率传递拓扑结构坚持不变，然后将比较的焦点会集在怎么运用数字操控技能完成规划的灵敏度方面。比较中感兴趣的一些方面包括电气功用、功率、元器材数量、功率密度、本钱和可靠性。比较是站在终究用户而不是BMPS规划师的利益视点上进行的。
本事例比较中所用的BMPS是爱立信公司的PMH8918L负载点(POL)稳压器[1]。这是一款电流为18A的非阻隔同步降压稳压器，其输出电压可编程，额定输入电压为12V。该产品是一款最新的产品，其多项目标都具有竞争性，所以它是运用模仿操控的负载点稳压器的最好代表。在从前宣布的文章中，从前估量到关于相同的18A的输出电流，选用数字技能能够使PCB面积减小40-50%，或许说，关于相同的封装尺度，输出电流能够添加到35A。本文将证明在选用数字操控技能时，这些估量实践上还过分保存，甚至有或许完成更高的功率和电流密度。
除了考虑POL稳压器的数字操控自身为用户带来的长处之外，在数字部分还添加了一个新的接口衔接器，然后使得电源体系中能够随意地运用数字电源办理技能。该衔接器的添加并不改动POL的功用，或许说不会改动模仿和数字操控办法学的比较成果。该衔接器的添加，证明了这项可选体系功用的完成对BMPS的本钱和体积并没有本质的晦气影响。
如上所述，本文内容局限于BMPS层级上的技能和功用的折衷。为了获取更多的相关内容，包括数字技能在电源体系办理领域中的扩展，读者能够直接拜见参阅目录[4]中的白皮书。
事例研讨规划
1. 现有的18A模仿产品
爱立信PMH8918L负载点(POL)稳压器的额定输出电流为18A。它选用非阻隔的同步降压技能，带有一个传统的模仿操控环路，开关频率为320kHz。输出电压可编程，规模为1.2-5.5V，输入电压为12V。输出电压为3.3V时的功率大于92%，核算出来的MTBF为380万小时。
图1左上方MOSFET的RDS-ON为8.8mΩ，栅极电荷Qg为11nC。而图1左下方MOSFET的相应参数则别离为4.0mΩ和27nC。输出电感的额定值为1.2μH，其电阻为2.3mΩ。
PMH8918LPOL稳压器的尺度为38.1×22.1×9.0mm。通孔版的图片如图1左所示。
2. 尺度优化的20A数字规划
构建的数控POL稳压器能够供给与模仿PMH8918L大致相同的输出电流和功率。所选用的根本拓扑结构是相同的。为了优化尺度从头规划了PCB地图。终究POL稳压器的尺度为25.4×12.7×8.5mm，所能供给的最大输出电流为20A。
重要的是应该知道在该规划中，现已将尺度大幅减小变为或许，这是因为削减了与数字操控完成相关的元器材数量。高集成度省去了模仿规划中所用的几个辅佐分立器材。经过细心挑选MOSFET，并将MOSFET的开关损耗和传导损耗之和减到最小，来完成功率的最优化。图1右上方的FET的RDS-ON为3.4mΩ，Qg为30nC;而图1右下方的FET的相应值则别离为1.8mΩ和47nC。输出电感的额定值为1.2μH，其电阻为2.3mΩ。因为新器材RDS-ON的下降，加上源极电感的减小，使得总的传导和开关损耗下降，然后完成了满负载时的最佳功率。输出电感为1.0μH，电阻为2.3mΩ。别的PCB的覆铜量也有所改动，然后改进了热办理，下降了传导损耗。
本规划中所用的操控芯片具有“功率优化的空载时刻操控”功用。该功用导致了功率的进步，这将在下面进行证明。在参阅资料[2]中能够看到有关该技能的更多细节。这种POL稳压器的开关频率为320kHz。
在本事例研讨中，为数字操控POL稳压器加入了一个新式信号接口，不过它并不影响规划的功用，也并非根本功用所必需。没有选用合适电源衔接的大电流引脚，而是规划了一个简略的、规范的和高性价比的10芯衔接器。假如终究用户需求，该衔接器能够用来与体系级电源办理电路进行通讯并装备POL稳压器。规划中引入衔接器时，并不影响封装尺度。图1右所示的是一个完好的20A尺度优化的数字规划。
3. 输出优化的40A规划
构建的另一个数控POL稳压器的尺度与模仿PMH8918L根本相同，但输出电流得到了进步。终究的尺度比模仿规划的尺度略小一点，为30.0×20.0x8.5mm。而该POL稳压器的输出电流进步到了40A。
为了供给更高的输出电流，该规划中选用了并联MOSFET。FET器材的选用原则与尺度优化规划中相同。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相应参数则别离为0.6mΩ和141nC。电感为0.82μH而电阻为1.7mΩ，进一步下降了电阻损耗。该规划的开关频率也是320kHz。所用的操控芯片与20A数字规划中的相同。
图2右显现的是40A输出优化规划的相片。
功用比较
依据一般所选用的电气功用参数对上述三种规划进行了表征。这些参数包括输出才能、负载调整、功率、纹波、噪声和动态呼应。但因为篇幅有限，这儿只具体地评论功率，因为它对终究用户来说是一个最重要的要害参数。关于上述的其它参数，全体说来两种数字规划的功用要等同于或更高于模仿规划。参阅资料[3]中给出了一些开始的比较成果。
1. 功率
比较中所用的PMH8918L是一款大电流POL稳压器。关于这类产品，转化功率是最重要的，因为它对体系的热规划、终究封装密度、以及确认终端设备所需的输入电源具有很大的影响。因而，假如要求数字规划在功率上进行折衷的话，将是一个难以承受的计划。
图3、4、5中的曲线别离为上述三种规划的功率与输出电流的联系。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℃的条件下取得的。比较20A的数字规划和18A的模仿规划，发现尽管数字模块的尺度小了许多，但数字规划在悉数的负载规模上的功率都得到了改进。在半负载点上，数字POL稳压器的功率改进了1.1%(为93.8%)，而在满负载点上功率进步了1.2%(到达92.5%)。数字规划功率的改进首要归功于辅佐电路的削减、闲暇时刻操控以及更优化的功率传递。
因为基准模仿POL稳压器的特性是在12V的输入电压下取得的，故在数字规划中也选用相同的输入电压以便比较。趁便阐明，关于数字规划来说，选用更低的输入电压时功率会更高。例如，当输入电压为9.6V时，在半负载点上功率又进步1%(到达94.8%)。关于这点在研讨全体电源体系优化时将是十分风趣的问题。
40A的数字规划专为大电流作了优化，这反映在图5中15-30A规模内的功率功用曲线上。当输出电流低于10A时，它包括了18A模仿规划的可用工作规模的绝大部分，其功率要比模仿POL稳压器稍微低一些，这是因为较高的开关损耗所造成的。但在半负载点上(20A)，其功率到达93.7%，比相同输出电流的模仿规划进步了2.4%。即便是在40A的满负载点上，功率仍达91.9%，也比相应的模仿POL稳压器高0.6%。故在所有重视的规划规模内，40A数字规划的功率也优于模仿规划。改进的原因归结于所选用的元器材数量与20A规划相同多。而当输入电压为9.6V时，40A规划的功率也能够再进步1%。
尽管40A数字规划的功率比模仿POL稳压器高且尺度适当，但因为它的输出功率和电流进步了一倍，其功耗仍是比较大。从需求从BMPS上发出的热量来看，这导致了较高的功率密度。从前模仿规划的尺度受元器材封装密度的束缚，而这类的数字规划的尺度则首要受限于对BMPS进行散热的散热器结构。也就是说，假如选用传统的封装资料和冷却通道，用这种尺度的BMPS来发生40A电流，将需求额定地考虑终究用户设备中的热办理和环境温度。
2. 封装密度
封装密度首要受功率的影响，这对终究用户来说具有平等的重要性。下面将会说到，数字规划的元器材的削减，对所完成的高封装密度奉献很大。咱们核算封装密度时选用了两种办法。第一种是单位面积电流密度，即POL稳压器的电路板上每cm3所完成的输出电流，单位为A/cm3。第二种则是传统的功率密度，依据3.3VPOL稳压器最大输出功率来核算，单位是W/cm3。
关于20A的数字POL稳压器来说，其电流密度比参阅模仿规划高289%，功率密度则进步了307%。而40A的数字POL稳压器的两种密度值别离进步了312%和330%。需求指出的另一点是，相关于模仿规划，20A的数字规划在电路板面积削减61%的一起，输出电流还额定进步了2A。而关于40A的数字规划而言，输出电流添加了22A(122%)，电路板面积却减小了28%。
3. 元器材数量
所参阅的模仿POL稳压器一共选用了58个元器材，这儿不包括衔接器引脚，但PCB作为一个元件被包括在内。选用相同的核算规矩，20A数字规划所用的元器材为24枚，而40A数字规划的元器材则为41枚。如上所述，数字规划中元器材数量的削减是导致功率密度进步的根本原因。元器材数量的削减，除了能够改进封装之外，在未来运用数字操控的规划中，还有望在下降本钱和进步可靠性方面发挥重要的积极作用。
4. 本钱
因为PMH8918L是一个产品单元，所以说模仿规划的本钱结构十分明晰。而数字规划坐落一个原型内且只选用部分元器材，例如数字操控芯片，这类器材都是最近最新引入的，因而还没有一个完善的定价机制。进一步说，咱们希望跟着数字操控技能的遍及选用，一些专用的元器材价格将会下降。因而这儿咱们不供给具体的本钱剖析。但因为数字技能或许完成更高的集成度以及更高水平的电气和封装功用，咱们深信数字计划很快就会为绝大多数用户供给十分高的价值。
5. 可靠性
关于原型数字规划现在还没有具体的可靠性核算。18A模仿规划所核算出来的MTBF为380万小时。在两种数字规划中选用了与模仿规划中相同的元器材降额规划办法。在数字规划的某些方面，元器材数量的削减将会更好地补偿电流的添加。一般，数字规划中的高集成度和较少的元器材内部互联将预示着具有更高的可靠性。
本文小结
经过本事例的研讨，相关于模仿规划来说，在POL稳压器的数字操控功用方面能够得出以下几个定论：
1. 数字操控稳压器的通用电气功用要等同于或许优于模仿规划;
2. 关于相同的输出电流，数字规划的功率高于模仿规划。功率进步超越1%是或许的;
3. 在封装密度方面数字规划具有显着的长处。这样，能够规划更小的BMPS，或许在规范的封装内能够进步可用功率;
4. 与模仿POL稳压器比较，数字规划能够大大地进步电流和功率密度，进步起伏能够到达289%-330%;
5. 跟着40A数字规划的集成度的进步，散热将超越器材面积而成为束缚封装的首要条件;
6. 数字规划大大地削减了元器材数量，20A数字规划削减了58%，而40A数字规划则削减了29%;
7. 尽管还无法供给具体的本钱剖析，与模仿BMPS比较，数字规划有望能为用户供给更杰出的价值;
8. 因为元器材数量削减并进步了集成度，在进行MTBF猜测核算时，数字规划相关于模仿规划将具有更高的可靠性。
总的来说，数字操控作为一项可行的技能，在无需OEM体系规划师添加额定规划工作量的条件下，能够为终究用户供给功用、本钱、可靠性以及功率密度方面的改进。假如需求，还能够在不添加本钱和封装密度的条件下，为BMPS添加一个体系电源办理接口。
