用于通信系統(tǒng)的低電壓、大電流電源及其設(shè)計(jì)實(shí)例

面臨的挑戰(zhàn)
與當(dāng)今許多類型的系統(tǒng)一樣，通信系統(tǒng)中電路板的面積非常寶貴。尺寸限制，連同降低成本的壓力和其他一些新的技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，使低電壓、大電流的電源設(shè)計(jì)成為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最困難的設(shè)計(jì)任務(wù)之一。
對(duì)電壓調(diào)節(jié)能力的挑戰(zhàn)
隨著電源電壓降低到1V, 即使小到50mV的電壓擺動(dòng)，也會(huì)使計(jì)算電路性能發(fā)生劇烈的波動(dòng)。因此必須對(duì)直流輸出電壓進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控。大的輸出電流是電壓波動(dòng)的一個(gè)主要誘因，包括PCB導(dǎo)線或電源輸出與CPU電源引腳間的連接器引入的10mV～50mV壓降。 當(dāng)電源電壓為1~1.5V時(shí)，這些壓降會(huì)產(chǎn)生顯著影響。因此，要求對(duì)正向和負(fù)向電壓輸出軌都實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測。
另一個(gè)問題是，先進(jìn)的計(jì)算芯片能根據(jù)系統(tǒng)指令瞬時(shí)地改變電源電流，變化幅度超過20A。這樣大的負(fù)載階躍，再加上電流的快速換向，將使電源電壓下降或超調(diào)。要處理這類動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載并減小輸出電容的尺寸，電源就必須具有很快的瞬態(tài)響應(yīng)能力。
傳熱學(xué)方面的挑戰(zhàn)
由于系統(tǒng)封裝密度隨系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而增加，散熱已成為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)人員要面對(duì)的一個(gè)愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)電壓穩(wěn)定有嚴(yán)格要求的高性能計(jì)算芯片要求電源就位于其附近。因此，重要的是要減小電源的功率損耗，并消除PCB上的過熱點(diǎn)和功率元件，以避免讓計(jì)算芯片熱上加熱。
輸入噪聲帶來的挑戰(zhàn)
由于在許多通信子系統(tǒng)中，主要的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電源大多為3.3V, 因此必須抑制3.3V匯流排的噪聲，以確保所驅(qū)動(dòng)的邏輯器件能正常工作。一個(gè)開關(guān)型降壓電源的輸入電流是脈動(dòng)的，為了濾除輸入噪聲，要采用一個(gè)大的輸入電容，有時(shí)可能還要采用大量值的LC濾波器。輸入濾波電路的尺寸和成本一般隨輸出電流的增加和/或輸入電壓的下降而增加。
采用標(biāo)準(zhǔn)電源模塊時(shí)，成本方面的挑戰(zhàn)
現(xiàn)成的電源模塊(如“磚式模塊”)價(jià)格昂貴。此外，標(biāo)準(zhǔn)電源模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)多數(shù)應(yīng)用場合的實(shí)際電源需求來說通常過高。既然定做模塊要花費(fèi)較多時(shí)間，增加成本，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不妨考察一下其他替代方法，以降低成本。

新技術(shù)的發(fā)展
為了應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，人們開發(fā)了不少用于通信系統(tǒng)中低電壓、大電流電源的新技術(shù)。
受歡迎的板上(On-board)電源
由于每種板上電源的額定功率參數(shù)能方便的根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，電源的成本及其尺寸可以減少。此外，與標(biāo)準(zhǔn)電源模塊相比，它還有如下一些技術(shù)上的優(yōu)勢。
● 能更好的根據(jù)負(fù)載變化進(jìn)行調(diào)整。板上電源消除了電源輸出和負(fù)載間的連線帶來的電阻和電感，從而能更好的實(shí)現(xiàn)直流和瞬態(tài)調(diào)壓。
● 效率更高。 電源連接器的導(dǎo)電損耗被消除了。此外，板上電源可以采用地線層和其他直流電源層來傳導(dǎo)直流電流。因?yàn)檫@些系統(tǒng)層的電阻低于小電源模塊，在PCB引線上的導(dǎo)電損耗可以更低。
● 熱量管理效果更佳。 整個(gè)系統(tǒng)電路板可以作為板上電源的散熱器。相應(yīng)的，過熱點(diǎn)的溫升也比電源模塊中的低得多，后者可用于散熱的PCB板面積十分有限。這改善了系統(tǒng)的長期可靠性。
● 成本低。 既然板上電源可以根據(jù)實(shí)際電源需要進(jìn)行優(yōu)化，所花費(fèi)的成本就會(huì)低于其額定指標(biāo)過高的標(biāo)準(zhǔn)電源模塊。這一方法還能省下采用大電流連接器所花費(fèi)的成本。由于電壓瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，還可以進(jìn)一步減少輸出解耦電容的數(shù)量。大多數(shù)板上電源的元件還可以用于系統(tǒng)的其他模塊，元件可以大批量采購，這也節(jié)約了成本。
大電流電源普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)——多相(PolyPhase)技術(shù)
傳統(tǒng)的單相方法依賴于若干并聯(lián)的MOSFET，要用笨重的電感來保證所要求的大電流。這會(huì)造成MOSFET中很高的開關(guān)損耗，以及電感和MOSFET焊盤上的電流雍塞現(xiàn)象，有可能影響PCB的可靠性。由于效率和開關(guān)頻率較低，輸出端就必須采用更大的電感，導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變慢。多相技術(shù)則基于現(xiàn)有的電源元件，其性能優(yōu)于單相電路，特別是電源電流超過20A時(shí)。該技術(shù)通過將若干并聯(lián)的功率級(jí)電路的相位進(jìn)行交替組合，在電源輸入和輸出端實(shí)現(xiàn)紋波電流的相互抵消，從而顯著地提高了性能，降低了成本。
● 紋波電流的相互抵消可以減小輸入電容、輸出電容和電感的尺寸和成本。
● 輸入紋波電流的相互抵消減少了輸入噪聲，使之特別適用于采用3.3V電源的應(yīng)用場合。
● 能響應(yīng)更快的負(fù)載瞬時(shí)變化，因?yàn)閷?duì)瞬態(tài)過程而言，各輸出電感可等效地視作并聯(lián)的。等效電感的減小提高了輸出電流的換向速率。
● 由于開關(guān)的損耗更低，電流分配更均勻，效率也得到了提高。這有助于減小發(fā)熱，改善系統(tǒng)整體的可靠性。
在隔離電源設(shè)計(jì)中所需的同步整流和次級(jí)邊控制技術(shù)
有些通信系統(tǒng)用低電壓、大電流電源從-48V底板上饋電。為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離，必須采用變壓器進(jìn)行耦合。副邊處整流器的電導(dǎo)損耗是這些電源產(chǎn)生功率損耗的主要原因。實(shí)現(xiàn)同步整流可以顯著減小這些功率損耗。由于在某些工作條件下自驅(qū)動(dòng)同步整流可靠性較低，因此在可靠性要求很高的通信系統(tǒng)中，應(yīng)該選用外部驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
傳統(tǒng)的隔離電源設(shè)計(jì)使用原邊控制，輸出誤差反饋電壓通過光耦合器傳遞到原邊的控制器，其相應(yīng)的環(huán)路帶寬很窄(約數(shù)kHz)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)載瞬時(shí)變化的響應(yīng)速度很慢。 一種替代技術(shù)是副邊PWM控制或后調(diào)壓控制，在250kHz的開關(guān)速率下，能達(dá)到>50kHz的環(huán)路帶寬。因而，這種方法在低電壓、大電流隔離電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日益普遍。.

低電壓、大電流電源
設(shè)計(jì)實(shí)例
大多數(shù)通信設(shè)備由來自墻壁電源或中心辦公室的-48V底板電源供電。如果電路板上有多個(gè)大電流電源，最好是將48V電源變換到隔離的、電壓為5V～12V的配電器上。從這一中間配電器，可以通過若干非隔離的DC/DC 變換器變換出所需的低電源電壓。不過若只需2或3路輸出電壓，也可采用從48V直接進(jìn)行變換的辦法。在這種情況下，通常需要采用次級(jí)PWM控制，以實(shí)現(xiàn)良好的輸出電壓調(diào)節(jié)。下面給出兩個(gè)實(shí)例。第一個(gè)是一個(gè)采用多相技術(shù)的非隔離電源，將中間配電器的電壓變換為更低的電壓。第二個(gè)是采用－48V (-36～-75V) 輸入的2輸出隔離電源。
3.3～12V 輸入、1.5V/40A輸出多相電源
圖1示出一個(gè)簡化了的2相40A電源示意圖。該設(shè)計(jì)采用了Linear Technology Corp. 公司的LTC3729 UH2相同步對(duì)消控制器電路。LTC3729 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相差為180°的大功率同步對(duì)消級(jí)電路?？刂破麟娐凡捎昧朔逯惦娏髂Ｊ娇刂?，以確保兩個(gè)并行電路間電流的精確分配。通過單芯片差分放大器實(shí)現(xiàn)了輸出電壓軌正負(fù)兩端真正的遠(yuǎn)程讀出。而市場上的大多數(shù)多相控制器不提供真正的負(fù)輸出軌遠(yuǎn)程讀出功能。
為滿足電流在40A以上的應(yīng)用要求，可增加更多的電路級(jí)，使各自相位不同于其他電路。利用多個(gè)LTC3729電路可以很方便的添加更多的移相電路。把反饋誤差放大器捆綁在一起可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的電流分配。圖2示出了如何用6個(gè)LTC3729控制器實(shí)現(xiàn)有12個(gè)不同相位的電路的方法。
帶后調(diào)壓的高效率-48V(-36V 到-75V)輸入、雙輸出 (3.3V和 2.5V)隔離電源
傳統(tǒng)的電源中，多路輸出隔離電源依靠輸出電感耦合來實(shí)現(xiàn)輔助輸出的電壓調(diào)節(jié)。輔助輸出端的負(fù)載調(diào)節(jié)性能不佳，大電流耦合電感難以制造，因而價(jià)格昂貴。 下面這種設(shè)計(jì)采用基于LT3710的后調(diào)壓電路。LT3710電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)同步對(duì)消電路以降低來自次級(jí)繞組的電壓。
圖3示出這一電路簡化的示意圖，輸入為-48V，輸出為3.3V和 2.5V。LT3710的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以從Linear Technology Corp獲得。這一設(shè)計(jì)的兩個(gè)輸出電路級(jí)均采用了同步整流器。LTC1698驅(qū)動(dòng)3.3V輸出級(jí)的同步整流器，并把3.3V輸出反饋到原邊。LT3710驅(qū)動(dòng)2.5V輸出級(jí)的MOSFET，并在副邊直接對(duì)該路電源輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一方法有助于保證兩路輸出的高效率，并可以保證2.5V 輸出能快速對(duì)負(fù)載變化作出響應(yīng)。由于2.5V 電路中下部的MOSFET在大多數(shù)時(shí)間里是導(dǎo)通的，同步整流顯得尤為重要。該設(shè)計(jì)在原邊采用的是雙開關(guān)前向結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹饕狥ET上承受的最大電壓是輸入最大電壓(75V)，所用的低損耗100V FET可以確保足夠高的效率。主控制器(LT1681)有三個(gè)主要功能：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主開關(guān)，產(chǎn)生LTC1698的同步信號(hào)，接收副邊來的3.3V反饋信號(hào)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電壓輸出調(diào)節(jié)。如果還需要第三路電源輸出，可以在副邊增加一個(gè)LT3710電路。

結(jié)語
板上電源和多相工作原理可以滿足通信系統(tǒng)低電壓、大電流電源設(shè)計(jì)的需要?？偟膩碚f，與傳統(tǒng)方法相比，它們能減少成本，實(shí)現(xiàn)更好的性能。在隔離電源設(shè)計(jì)中，同步整流和副邊控制技術(shù)正受到越來越多的歡迎，因?yàn)槠湫矢?，?duì)瞬時(shí)變化的響應(yīng)更快。 ■


圖 1 簡化的、基于LTC3729芯片的2相40A電源示意圖

圖 2 用6個(gè)LTC3729控制器實(shí)現(xiàn)12個(gè)不同相位的電路方法

圖 3 -48V輸入, 3.3V 和 2.5V輸出隔離電源