現(xiàn)代通信系統(tǒng)電源設(shè)計

通信設(shè)備使用的電源器件有很多種，從前端的功率因數(shù)校正(PFC)AC/DC電源到后端的高效DC/DC模塊和負載點(POL)轉(zhuǎn)換器，不一而足。從需要很高效率的中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)，到那些日趨細小輕巧的VoIP數(shù)字電話，以及要求多路緊密調(diào)節(jié)電壓(7～13路輸出)的數(shù)字用戶線(xDSL)電源等，DC/DC電源在現(xiàn)代通信中獲得了廣泛應(yīng)用。
---中低功率應(yīng)用(15～100W)通常使用低成本的單端正向或回掃拓撲結(jié)構(gòu)來設(shè)計電源模塊，而推挽式、半橋和全橋拓撲結(jié)構(gòu)在功率更高的應(yīng)用(100～1000W)中很流行。中間總線架構(gòu)(IBA)是一種新型分布式總線標(biāo)準，它利用一種低成本的非穩(wěn)壓(開環(huán))中間總線式轉(zhuǎn)換器(IBC)將-48V通信總線轉(zhuǎn)換到+12V中間總線，從而通過使用低成本的負載點(POL)模塊簡化板上電源設(shè)計。
---美國國家半導(dǎo)體公司最近發(fā)布了一系列新的高壓電源轉(zhuǎn)換數(shù)字特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)，即LM5000系列，該系列提供了多種脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器驅(qū)動器芯片組，用于這些最新的電源系統(tǒng)設(shè)計中。這些芯片能承受高達100V的輸入電壓，滿足了通信系統(tǒng)電壓瞬態(tài)規(guī)范的應(yīng)力限制。其開關(guān)頻率超過1MHz，與現(xiàn)有的解決方案相比，提高了電源效率，并成為眾多電源應(yīng)用的基準。該系列從低成本的中功率正向拓撲結(jié)構(gòu)(使用LM5025電壓模式有源鉗位PWM控制器)，到中功率IBA轉(zhuǎn)換器(使用LM5033半橋或推挽PWM)，再到最先進、功率最高的級聯(lián)式電流饋電拓撲結(jié)構(gòu)(由LM5041和LM5100控制器驅(qū)動器芯片組支持)，覆蓋了所有的功率級別。
---新型IBA電源系統(tǒng)方法需要兩級轉(zhuǎn)換：首先是非穩(wěn)壓隔離級，然后是多個緊密調(diào)節(jié)的負載點板上安裝的DC/DC電源模塊。隔離級(稱作中間總線轉(zhuǎn)換器)的拓撲結(jié)構(gòu)一般是開環(huán)、非穩(wěn)壓、自由運行“直流變壓器”，被選擇用來隔離和降低總線電壓，同時保證低成本和高功率轉(zhuǎn)換效率(大于95%)。雙輸出LM5033 PWM控制器和LM5100半橋驅(qū)動器構(gòu)成一個理想的芯片組解決方案，能將這些中間總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計中需要的外部元件成本和數(shù)量降至最低。
---圖1以典型的通信電源總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的LM5033/LM5100芯片組為例，在該設(shè)計中，40～60V輸入總線電壓通過一個隔離變壓器，向下轉(zhuǎn)換至10～15V中間總線電壓，并分配至下游安裝在板上的負載點模塊中。通過維持LM5033雙控制器的輸出在一個恒定的50%占空比，實現(xiàn)了最高的電源效率，這樣做降低了開關(guān)FET和同步整流器上的電流和電壓應(yīng)力，同時改善了變壓器的線圈使用率。
---IBA兩級架構(gòu)的競爭對手是更傳統(tǒng)、使用回歸或正向拓撲結(jié)構(gòu)的單級隔離電源。與那些用于IBA方法的緊密調(diào)節(jié)負載點模塊相比，這些電源雖然提供了富有競爭力的成本和電源效率，但很難在多個輸出維持良好的穩(wěn)壓。
---與標(biāo)準的正向轉(zhuǎn)換器相比，有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器提供了更高的效率，而且在中功率應(yīng)用(50～200W)中更受歡迎。有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器采用了一個有源復(fù)位FET和電容器，在損耗最低的情況下使核心復(fù)位。鉗位電容器捕獲磁化能量和釋放能量，并把它們返回源極，從而提高了電源轉(zhuǎn)換效率。
---圖2描繪了典型的48V單級通信電源設(shè)計中的LM5025有源鉗位正向控制器，其工作輸入電壓范圍是36～75V，額定輸出在3.3V時可高達100W。該控制器的兩路輸出直接驅(qū)動N通道功率MOSFET和P通道復(fù)位MOSFET。這兩路驅(qū)動器輸出的大小不同，主輸出產(chǎn)生較大的3A門極驅(qū)動峰值電流，其目的是迅速開關(guān)大功率MOSFET以便降低開關(guān)損耗。復(fù)位MOSFET的輸出要小得多，這是因為它只傳導(dǎo)磁化電流，因此門極驅(qū)動器的峰值電流僅為1A。要實現(xiàn)最高的效率，兩路門極驅(qū)動器輸出之間的時序延遲就甚為關(guān)鍵，而LM5025控制器就具備了這樣的可編程功能。
---對于輸出電壓較低的應(yīng)用方面，就有必要使用同步整流器以實現(xiàn)較高的整體電源效率。有源復(fù)位方案適合使用同步整流器，這是因為同步整流器可以直接通過次級變壓器自我驅(qū)動，如圖2所示。
---圖3展示了LM5041級聯(lián)式控制器和LM5100半橋驅(qū)動器組合而成的芯片組，用于設(shè)計雙級級聯(lián)式降壓饋電轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器包含一個高壓降壓前級穩(wěn)壓器，用于在推挽電源變壓器級維持一個固定的電壓，這個變壓器級被用作“直流變壓器”，類似前文所述的IBC。通過設(shè)置變壓器匝數(shù)比，將預(yù)穩(wěn)壓電壓降至最終的輸出電壓。目前生產(chǎn)的級聯(lián)式轉(zhuǎn)換器能進行緊密的線路穩(wěn)壓，其線路輸入電壓范圍寬達4:1甚至更高。它還能提供優(yōu)異的輸出負載瞬時響應(yīng)，同時消除了輸出濾波器電感器和電流傳感電阻器，這是降低成本和復(fù)雜性的另一個優(yōu)點。它的輸出電路具備回掃穩(wěn)壓器的簡單性和其他優(yōu)點。去掉輸出濾波電感器，便縮短了加載階躍變化的延遲，并且無需采用引起電壓回路錯誤的電感器。推挽直流變壓器持續(xù)在精確的50%占空比上驅(qū)動，從而產(chǎn)生連續(xù)不斷的電流至輸出端。這樣做不但提高了隔離變壓器核心的使用率，同時也降低了輸出元件的應(yīng)力和干擾，使級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)非常適合于高輸出功率的應(yīng)用。

---圖4展示了推挽MOSFET漏極波形和降壓級開關(guān)節(jié)點(Vsw)。當(dāng)兩個漏極均為低電平時，交迭時間便會顯示出來。推挽級的工作切換頻率是降壓級的一半。
---圖5展示了雙級多輸出數(shù)字用戶環(huán)路(DSL)的電源應(yīng)用，它使用了由LM5030推挽控制器驅(qū)動的一個功率較低的多輸出隔離變壓器，加上LM5642雙輸出電流模式降壓控制器。該電源提供了線路驅(qū)動器和放大器的兩種模擬電壓(典型值為