Ericssons jämförelse visar att digitalt styrd kraft ger kompaktare, mer tillförlitliga och billigare lösningar.

Allt oftare ställs konstruktörer inför valet mellan analoga och digitala spänningsomvandlare, men många är fortfarande osäkra på fördelarna med digitala styrtekniker. I detta sammanhang handlar digital styrteknik om att knyta ihop omvandlarens interna återkopplingsslinga, snarare än de efterföljande externa styr- och övervakningsfunktioner som allt oftare är digitala som standard.

Denna förändrade omvandlarimplementering är central i samtliga diskussioner kring digital kraft. Men vilka fördelar medför då övergången från beprövad analog styrning till en digital version? Och vad blir följden, om någon alls, för konstruktörer som önskar använda digitala spänningsomvandlarmoduler istället för existerande analoga konstruktioner?

Som alltid är det nödvändigt att jämföra intressanta parametrar för alternativa konstruktioner. I det här fallet inkluderar dessa elektrisk prestanda, verkningsgrad, antal komponenter, effektdensitet, tillförlitlighet och kostnad. Att komma fram till verkligt representativa resultat kräver en jämförelse mellan två omvandlare som—bortsett från implementeringen av deras interna återkopplingsslinga—liknar varandra så mycket som möjligt. Av det skälet valde Ericsson en traditionell synkron step-down-omvandlare ur sitt sortiment för att tillhandahålla referensdata, och modifierade dess konstruktion för att växla från analog till digital styrning.

Referensen PMH8918L utnyttjar analog styrning för att ge upp till 18 A för icke-isolerade POL-(point-of-load)-tillämpningar. Med 12 V märkspänning på ingången och programmerbar utspänning ligger omvandlaren inom ett mycket vanligt spännings- och strömområde som borde ge användbar data för en rad olika kunder. Motsvarande digitala konstruktion utnyttjar ZL2005-kretsen från Zilker Labs, Inc. För att se till att testplattformen blir så representativ som möjligt är flertalet kraftkomponenter desamma i båda konstruktionerna.

Vid test ställs utspänningen in med hjälp av ett motstånd och omvandlarens ”Remote sense” kopplas till dess utgång för att konfigurera lokal spänningsavkänning. Slutsatserna i denna artikel bygger på test som hittills utförts på en liten grupp provexemplar av denna POL regulator. Mer allmänna slutsatser bör bygga på flera olika driftsströmmar och regulatorer.

Den ZL2005-baserade digitala styrimplementeringen upptar samma kortsyta som PMH8918L och switchar vid 333 kHz, vilket är mycket likt den analoga regulatorns 320 kHz.

I en inledande uppsättning test utnyttjas i båda omvandlarna samma Renesas MOSFET effektswitchar som förekommer i PMH8918L, kallad digital Renesas. Men för att dra nytta av Zilker Labs rekommendationer för optimering av den digitala omvandlarens dödtid i utgångsswitchen (referens 1) används Infineons MOSFET effektswitchar, kallad digital Infineon, i ytterligare en uppsättning resultat. Dessa har en högre gate-resistans (1,2 ohm istället för 0,5 ohm) men är i övrigt mycket lika i fråga om viktiga parametrar såsom drain-source resistans och switchförluster.

Testerna jämför omvandlarkonfigurationerna med en matningsspänning på 12 V vid rumstemperatur. Regulatorns utspänning var inställd på 3,3 V eller 1,5 V via ett programmeringsmotstånd.

Vid full last motsvarar prestanda för Renesas digitala konfiguration den analoga lösningen, men vid lägre lastström uppvisar den viss förbättring.

Infineons digitala FET-implementering är helt klart bättre än den analoga referenslösningen både vad gäller verkningsgrad och effektförbrukning. Effektförbrukningsgraferna i figur 2, 4 och 6 visar också en minskning av effektförbrukningen i den digitala implementeringen. Detta beror på att de övervaknings- och skyddskretsar som behövs i den analoga lösningen kan uteslutas.

Eftersom utspänningsregleringen var densamma för Infineons och Renesas digitala implementeringar återfinns endast Infineons mätvärden i figurerna 7 och 8. Utspänningsregleringen för de båda analoga och digitala lösningarna är i princip densamma. Den något bättre prestandan för den digitala lösningen som graferna antyder beror på de något olika testuppställningarna för mätning av de analoga och digitala regulatorerna.

Test av utgående rippel och brus samt lasttransientsvar utfördes för utspänningen 3,3 V. För rippel- och brusmätning användes ett filter bestående av en 0,1 µF keramisk kondensator parallellkopplad med en 10 µF tantalkondensator, såsom PMH8918Ls datablad föreskriver. Den dynamiska lasten för mätningar av transientsvar bestod av en stegförändring från 18 A till 9 A och sedan tillbaka till 18 A.

Den digitala lösningen uppvisar något mer rippel och brus än sin analoga motsvarighet, huvudsakligen beroende på komponenttoleranser i den externa 330 mF kondensatorn. Det finns även en mindre variation som den lilla skillnaden i switchfrekvens skapar, men i praktiken är rippel- och brusprestandan praktiskt taget densamma.

Den analoga lösningen ger ett utspänningssvar med traditionellt utseende vid förändringar av den dynamiska lastströmmen, såsom figur 11 visar med max avvikelse på ungefär ± 70 mV. Den digitala lösningen, som programmerades att arbeta i icke-linjär svarsmod (NLR-mod) visar liknande max avvikelse vid övergång från låg till hög last, samt något högre avvikelse vid övergång från hög till låg last, se figur 12. Till följd av NLR-modfunktionen fördelas toppvärdet över tiden, vilket ger upphov till en mängd toppar som är mindre än de skulle ha varit om NLR stängts av. Då dessa NLR-inställningar inte är optimerade borde det vara möjligt att förbättra det dynamiska svarets vågform. Trots det liknar utslaget för spänningssvaret det för den analoga regulatorn.

För att få den bästa jämförelsen ställer dessa beräkningar den analoga referensregulatorn mot den digitala versionen som utnyttjar samma MOSFET effektswitchar från Renesas. Kostnadsberäkningar beror ofta på osäkra trender för komponenter, men det finns ändå tillräckligt med data för att beräkna relativa skillnader i kostnad mellan de två tillvägagångssätten.
Komponentantalet för den digitala regulatorn är 21 jämfört med 58 för den analoga regulatorn, vilket motsvarar en 64-procentig minskning. Denna minskning kommer att resultera i förbättringar rörande kostnad, storlek och tillförlitlighet. Trots att mönsterkorten för de båda regulatorerna är lika stora blir det en väsentlig skillnad i kapslingstäthet tack vare att den digitala lösningen har färre komponenter.

Det är tydligt att den digitala POL-regulatorns layout inte är optimerad, och två olika tillvägagångssätt skulle kunna ge en förbättrad produktionsversion. En minskning av mönsterkortsytan med 40-50 procent samtidigt som märkströmmen på 18 A bibehålls skulle väsentligen förbättra kapslingstätheten; alternativt borde det vara möjligt att ungefär fördubbla effekthanteringskapaciteten inom existerande utrymme.

I fråga om materialkostnad skulle en 10-bensversion av en digital regulator (dvs motsvarande den analoga versionen) definitivt kosta betydligt mindre än den nuvarande PMH-konstruktionen, tack vare det mindre antalet komponenter. Trots att den är något dyrare borde även en digital lösning med 13 ben och med ett kommunikationsgränssnitt bli billigare än den analoga implementeringen. Kostnadsbesparingar bör också följa av att färre komponenter behöver monteras vid tillverkningen.

Ericsson genomför omfattande analys av felintensitet och bedömning av tillförlitligheten för alla sina produkter med hjälp av den metodik som ges i Telecordia SR332, utgåva 1, “black-box”-teknik. Förutsägelser för MTBF (medeltid mellan fel) görs med förutsättningen full uteffekt och +40˚C omgivande driftstemperatur. Den predikterade tillförlitligheten för den analoga PMH8918L och den digitala lösningen med Zilker Labs ZL2005 är:
Analog: 3,87 miljoner timmar
Digital: 4,31 miljoner timmar

Det mindre antalet komponenter gör den digitala versionen mer tillförlitlig även med tillägg av komplicerade komponenter, såsom minne i den digitala styrkretsen. En 18 A digital version byggd med samma mönsterkortsyta som den existerande analoga modulen skulle sänka kretsens driftstemperatur, vilket ytterligare skulle öka MTBF.

Laboratoriemätningar och beräkningar ger fyra huvudsakliga slutsatser:

• Den elektriska prestandan, inkluderande verkningsgraden, för den digitalt styrda omvandlaren är lika bra eller bättre än den analoga versionen. Ytterligare arbete borde optimera det dynamiska lastsvaret för den digitala konstruktionen.

• Den digitala lösningen resulterar i en mer än 60-procentig minskning av antalet komponenter, vilket väsentligen minskar omvandlarens material- och monteringskostnader.

• Det mindre antalet komponenter minskar behovet av kortyta, vilket gör att omvandlaren kan bli mindre eller att uteffekten kan öka inom nuvarande format. I båda fallen ökar effektdensiteten med digital styrning.

• Det mindre antalet komponenter ökar väsenligen den predikterade tillförlitligheten.

Framför allt kräver dessa fördelar inga ytterligare ansträngningar från OEM-kundens sida. Den digitala POL regulatorn kan ersätta den analoga versionen, och kräver inget speciellt gränssnitt eller omkonstruktion. Det är också värt att beakta att omvandlarens digitala ”hjärta” på ett naturligt sätt ger ett gränssnitt mot externa styr- och övervakningskretsar, och på det sättet får man en stor del av de gränssnittskretsar som krävs i en analog omvandlare “på köpet” i en digital lösning.

Uppmuntrad av dessa resultat planerar Ericsson att fortsätta att utveckla konstruktioner av regulatorer och omvandlare med digital styrning. Inom den närmsta framtiden kommer vi att konstruera, karakterisera och kvalificera produkter i större pilotvolymer. Vi planerar även att ytterligare optimera styrkonstruktionerna och effektomvandlarkonfigurationerna för att erbjuda slutanvändarna största möjliga fördel.

Figur 1 till 12 publiceras inte på sajten, läs magasinet istället (länk)