面向電信系統(tǒng)的電源管理設(shè)計(jì)

　　為了提供有意義的對(duì)比，圖2、3和4中的每一個(gè)例子都采用了相同的輸出電壓和電流要求。這些例子均基于使用多個(gè)高性能DSP的理論基站，并配套使用了模擬和數(shù)字電路。在5A時(shí)該輸出電壓為3.3V，6.5A時(shí)為2.5V，11A時(shí)為1.8V，20A時(shí)為1.2V。圖5對(duì)之前所述的架構(gòu)進(jìn)行了比較。從圖5可以看出，確實(shí)有可能實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)。半穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓電源系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了更高的效率，而且還節(jié)約了板級(jí)空間與系統(tǒng)成本。與第二代固定電壓IBA相比，半穩(wěn)壓/非穩(wěn)壓IBA最為顯著的改進(jìn)是效率。如圖5所示，電源轉(zhuǎn)換效率提高了大約7%。對(duì)于一個(gè)200W的系統(tǒng)而言，這就相當(dāng)于將熱負(fù)載降低了14W。

　　在這些例子中之所以均使用了電源模塊，是因?yàn)樗鼈兛商峁┳畲蟮墓β拭芏?，并且是許多電信OEM廠商的首選解決方案。所有系統(tǒng)中均可以使用分立POL來降低成本，但是板級(jí)空間將會(huì)增加一倍。

　　電氣性能

　　設(shè)計(jì)人員接下來需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是，滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。

　　穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來越小且功耗越來越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需的電壓也不斷降低的更小的晶體管來制造數(shù)字半導(dǎo)體?，F(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。除了低壓以外，對(duì)電壓容差的要求也越來越高。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是：線路(輸入電壓變化)、負(fù)載(負(fù)載電流微小變化)、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過3%。這樣，電源設(shè)計(jì)人員就只有30mV的電壓空間來滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負(fù)載、時(shí)間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半(15mV)的容差預(yù)算。剩余的15mV則用來處理計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載帶來的突發(fā)電流變化(1～3個(gè)時(shí)鐘周期)。

　　容差預(yù)算對(duì)那些想在出現(xiàn)電流瞬態(tài)條件下最小化電壓偏離的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)。如果內(nèi)核電壓(VCC)超出規(guī)定容差極限，那么數(shù)字IC可能會(huì)開始復(fù)位，否則就會(huì)產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數(shù)字負(fù)載(例如：最新的千兆赫DSP)要求極快速的瞬態(tài)響應(yīng)和極低電壓偏離。為了達(dá)到這些目標(biāo)，許多附加的輸出電容器通常會(huì)被添加到DC/DC轉(zhuǎn)換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的保持時(shí)間。這種電源模塊(包括為了滿足瞬態(tài)電壓容差而添加的電容)形成了這一完整的電源解決方案。

　　多年來，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高。即便使用更高的容積效率，整個(gè)電源解決方案也會(huì)超過單個(gè)電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間，而在今天更為小型化的系統(tǒng)中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計(jì)入電容器成本的情況下，電源材料的成本甚至可能比電源模塊成本的一倍還高。

　　隨著DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以在使用更少輸出電容的同時(shí)獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更小的電壓偏離。TI推出的T2系列下一代 PTH模塊(請(qǐng)參見圖6)便是一個(gè)典型的例子。這些器件集成了一種被稱為TurboTrans的新型專利技術(shù)，其允許對(duì)模塊進(jìn)行自定義調(diào)諧以滿足特定的瞬態(tài)負(fù)載要求。只需使用一個(gè)單獨(dú)的外部電阻器即可完成調(diào)諧。

　　TurboTrans可以使輸出電容降為原來的8/1，從而降低了電容的成本并節(jié)約了PCB空間。這種技術(shù)的另一個(gè)好處是，使用具有超低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器可提供增強(qiáng)的模塊電路穩(wěn)定性。這些更新型的Oscon、聚合物鉭電容和陶瓷輸出電容都具有一個(gè)額外的好處，即不但能夠經(jīng)受高溫、而且采用無鉛焊接工藝。

　　影響隔離式和POL轉(zhuǎn)換器性能的決定性因素是噪聲。開關(guān)式POL運(yùn)行在不同頻率上并共享一個(gè)共有輸入總線時(shí)，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會(huì)造成拍頻問題，對(duì)EMI濾波造成困難。由這些頻率的和差分所產(chǎn)生的頻率可以產(chǎn)生拍頻，其使EMI過濾變得困難。

　　舉例而言，如果一個(gè)系統(tǒng)擁有兩個(gè)POL，其中一個(gè)運(yùn)行在300kHz下，而另一個(gè)運(yùn)行在301kHz 下，那么其拍頻就是1kHz。這就要求具有更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)濾波器。TI推出的T2電源模塊擁有一個(gè)SmartSync特性，該特性使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍鄠€(gè)T2模塊的開關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使EMI濾波更加輕松。SmartSync可以用來設(shè)定頻率，以使開關(guān)噪聲在一個(gè)特別頻率帶(即xDSL傳輸頻率)中被最小化。TurboTrans和SmartSync是T2電源模塊上的標(biāo)準(zhǔn)特性，其并不會(huì)額外增加前面所述的系統(tǒng)的成本。

　　利用業(yè)界一流的電源模塊構(gòu)建的電信系統(tǒng)讓系統(tǒng)將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員縮小系統(tǒng)尺寸、降低功耗、滿足高性能數(shù)字電路的電源要求，同時(shí)相比穩(wěn)壓電壓 IBA 系統(tǒng)還可以降低電源成本。