面向電信系統(tǒng)的電源管理設(shè)計(jì)

隨著帶寬的不斷增加，有線和無線基礎(chǔ)電信系統(tǒng)中的放松管制和競爭推動(dòng)了對于低成本設(shè)備解決方案的需求。電信設(shè)備電源管理要求中需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)不斷增加，這就愈加要求設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)楦鞣N數(shù)字信號處理器 (DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、專用集成電路 (ASIC) 和微處理器提供更多的電壓軌。簡而言之，就是要求電源管理解決方案能夠在更小的空間內(nèi)，更高效地生成更多不同的電壓和更大的電流，并降低噪聲。另外，如果說這些要求還不夠具有挑戰(zhàn)性的話，那么這種解決方案還必須要實(shí)現(xiàn)低成本，這恐怕就頗具挑戰(zhàn)性了！

　　更加靠近用戶地部署接入設(shè)備要求更小的附件(襯墊和安裝孔)，其必須能夠經(jīng)受得住較為惡劣的環(huán)境考驗(yàn)。由于局端的空間非常小，因此基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備將被設(shè)計(jì)為更加小型化。推動(dòng)電源管理產(chǎn)品發(fā)展的因素是外形尺寸、散熱管理、成本，以及電氣性能(穩(wěn)壓、瞬態(tài)響應(yīng)以及噪聲產(chǎn)生)。本文將讓您對板上電源系統(tǒng)的發(fā)展以及最新一代解決方案如何以更小的封裝實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的成本等方面有一個(gè)基本的了解。

　　外形尺寸/效率/成本

　　同時(shí)解決外形尺寸、效率和成本問題的需要，再一次激發(fā)了人們對電源架構(gòu)的興趣。第一代板上電源使用的電源架構(gòu)被稱為分布式電源架構(gòu) (DPA)(請參見圖1)。這種架構(gòu)每個(gè)電壓軌均使用了一個(gè)隔離式(磚形)電源模塊，因此其在電源軌非常有限的情況下能夠很好地工作，但是每增加一個(gè)電壓軌，成本和 PCB空間都會(huì)隨之大大增加。電壓軌的排序也同樣非常困難，而且還要求增加外部電路，從而會(huì)增加成本和板級空間占用。

　　為了解決DPA在尺寸和成本方面的局限性，第二代板上電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用固定電壓中間總線架構(gòu)(IBA)(請參見圖2)。IBA采用了單個(gè)隔離式磚形電源模塊和許多非隔離式負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器。POL可以是一些電源模塊(例如：TI的PTH 系列)，也可以是一些分立降壓轉(zhuǎn)換器。隔離式轉(zhuǎn)換器工作在與第一代板上電源系統(tǒng)相同的輸入電壓范圍上，即36V～75V或18V～36V。該降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)IBA電源，并將電壓穩(wěn)壓固定在3.3V、5V和12V。如何選擇電壓取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。憑借TI的Auto-Track等特性，這種設(shè)計(jì)可減少板級空間的占用，降低成本，簡化電壓排序。這種架構(gòu)唯一的缺點(diǎn)在于效率較低，這是因?yàn)槊總€(gè)電壓都需要進(jìn)行雙轉(zhuǎn)換。

　　當(dāng)今，大多數(shù)電信系統(tǒng)都使用固定電壓IBA。但是，由于接入設(shè)備設(shè)計(jì)采用了密封封裝(seaLED enclosure)，不再需要強(qiáng)制風(fēng)冷，我們就需要一款效率更高、占用面積更小的解決方案了。正如每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都了解的那樣，系統(tǒng)散熱的最佳方法就是避免熱量的產(chǎn)生。由于所有電能都要通過前端隔離式轉(zhuǎn)換器，因此在考慮提高效率時(shí)，前端隔離式轉(zhuǎn)換器就是要重點(diǎn)討論的問題。實(shí)踐證明，提高隔離式轉(zhuǎn)換器效率的方法是使其以固定占空比運(yùn)行，并且不對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓操作，這就是非穩(wěn)壓式中間總線架構(gòu)(請參見圖3)。

　　這種架構(gòu)使用一個(gè)非穩(wěn)壓總線轉(zhuǎn)換器，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓成一定比例的輸出電壓。在本例中，ALD17 5：1轉(zhuǎn)換器生成了一個(gè)輸出電壓，該電壓為輸入電壓的1/5。這種技術(shù)允許一個(gè)150W系統(tǒng)/電路板實(shí)現(xiàn)1/16的磚形設(shè)計(jì)，從而在第一個(gè)轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn)96%的效率。有了寬泛輸入電壓范圍(4.5V～14V)的PWM以及TI的T2產(chǎn)品等電源模塊，就能采用這種非穩(wěn)壓式電壓架構(gòu)。這種架構(gòu)的局限性在于總線轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓范圍是36V～55V，以確保POL的輸入電壓小于12V。之所以最大不能超過12V，是因?yàn)镻OL要生成不高于1V的輸出電壓，輸入電壓不能超過輸出電壓的10～12倍。但是，越來越多的電信原始設(shè)備制造商(OEM)都在考慮轉(zhuǎn)而采用這種輸入范圍，以通過這種架構(gòu)來節(jié)約成本、縮小尺寸并提高效率。

　　一些電信OEM廠商堅(jiān)持使用傳統(tǒng)的36V～75V的寬輸入電壓規(guī)范，輸入瞬態(tài)電壓為100V。為了滿足這些要求，電源行業(yè)推出了半穩(wěn)壓IBA(請參見圖4)。該半穩(wěn)壓IBA和非穩(wěn)壓式IBA之間的主要區(qū)別是，如果輸入電壓超過了55V～60V的范圍，那么該半穩(wěn)壓IBA就將輸出電壓穩(wěn)壓至10V左右。這種方法的缺點(diǎn)是，隔離式電源模塊必須增加尺寸來容納穩(wěn)壓電路，同時(shí)當(dāng)輸入電壓超過55V時(shí)其效率會(huì)降低。TI的PTQB系列就是這類產(chǎn)品的一個(gè)例子。