現(xiàn)代通信系統(tǒng)電源設(shè)計

通信基礎(chǔ)設(shè)備使用的各種電源系統(tǒng)元件有很多種，從前端的功率因子校正 （PFC） 交流/直流電源到后端的高效直流/直流模塊（塊）和負(fù)載點 （POL） 轉(zhuǎn)換器都有?，F(xiàn)代通信直流/直流電源的應(yīng)用，從需要很高效率的中間總線式轉(zhuǎn)換器 （IBC），到那些日趨細(xì)小輕巧的語音 IP （VoIP） 數(shù)字電話，以及要求多路緊密調(diào)節(jié)電壓（7 路至 13 路輸出）的數(shù)字用戶線 （xDSL） 電源等，范圍很廣泛。

中低功率應(yīng)用（15W-100W）通常使用低成本的單端正向或回掃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來設(shè)計這些電源模塊，而推挽式、半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率更高的應(yīng)用 （100W-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(zhǔn)，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(fù)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，用于這些最新而先進(jìn)的電源系統(tǒng)設(shè)計中。這些芯片能承受高達(dá) 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。它們工作于超過 1MHz的開關(guān)頻率，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(zhǔn)。該系列從低成本的中功率正向拓?fù)浣Y(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(jìn)、功率最高的級聯(lián)式電流饋電拓?fù)浣Y(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(fù)載點板上安裝的直流-直流電源模塊。隔離級（稱作中間總線轉(zhuǎn)換器）的拓?fù)浣Y(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(fù)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。

圖 1 LM5033 中間總線轉(zhuǎn)換器

圖中文字的譯文：

input voltage — 輸入電壓

IBA 兩級架構(gòu)的競爭對手是更傳統(tǒng)、使用回歸或正向拓?fù)浣Y(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(fù)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(zhǔn)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)換器部署了一個有源復(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 至 75V，額定輸出在 3.3V 時可高達(dá) 100W。該控制器的兩路輸出直接驅(qū)動 N 通道功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（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 3Apk 門極驅(qū)動，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)動器的大小僅為 1Apk。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一個可編程功能。

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，如圖所示。

圖 2 LM5025 正向有源鉗位轉(zhuǎn)換器

圖中文字的譯文：

up/down sync — 向上/向下同步

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(jìn)行緊密的線路穩(wěn)壓，其線路輸入電壓范圍寬達(dá) 4:1 甚至更高。它還能提供令人印象深刻的輸出負(fù)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)壓器的簡單性和其它優(yōu)點。輸出濾波電感器的刪除，縮短了加載階躍變化的延遲，并且引起電壓回路錯誤的電感器也不存在了。推挽直流變壓器持續(xù)在精確的50%占空比上軀動，從而產(chǎn)生連續(xù)不斷的電力流至輸出端。這樣做不但使隔離變壓器核心的使用率最佳化，同時也降低了輸出元件的應(yīng)力和干擾，使級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合于高輸出功率的應(yīng)用。

圖 3 LM5041 電流饋電推挽轉(zhuǎn)換器

圖中文字的譯文：

buck stage — 降壓級 push-pull stage — 推挽級 output inductor removed —輸出電感器已刪除 buck out cap removed — 降壓輸出電容器已刪除

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 4 電流饋電推挽的波形

圖中文字的譯文：

trace 1： Push_Pull XFR Side A -- 1 號跡線：推挽 XFR 的 A 側(cè)

trace 2： Push_Pull XFR Side B -- 2 號跡線：推挽 XFR 的 B 側(cè)

trace 3： Push_Pull XFR Side A -- 3 號跡線：降壓級開關(guān)節(jié)點

Note： there … -- 注意：存在一段推、拉開關(guān)同時開通的交疊時間。這是保持感應(yīng)器電流路徑所必需的。

圖 5 展示了雙級多輸出數(shù)字用戶線 （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 +/-12V），以及數(shù)字 ASIC 所需的幾種較低電壓（+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V）。LM5030 被用作推挽轉(zhuǎn)換器的中心部件，把 48V 輸入電壓轉(zhuǎn)換成 +/-12V，同時提供電絕緣。LM5642 控制器構(gòu)成負(fù)載點同步降壓轉(zhuǎn)換器，接收來自中間總線軌的+12V電力，并產(chǎn)生用于 xDSL 卡電子器件的多路低壓輸出。高性能雙輸出 LM5642 降壓控制器的每條通道只需要一對 FET、一個小型輸出電感器和輸出電容器，以及幾個電阻器和電容器，構(gòu)成了高效率、低成本的 IBA 解決方案。

圖 5 xDSL 中間總線功率轉(zhuǎn)換器

圖中文字的譯文：

Inrush protection—涌入電流防護(hù) LM5030 push-pull converter—LM5030 推挽轉(zhuǎn)換器 synchronization—同步 sequencing—定序 dual synchronous buck controller 雙同步降壓控制器

下面的表 1 列出了美國國家半導(dǎo)體公司的一些新型高壓 ABCD（模擬雙極 CMOS DMOS）技術(shù)系列，它們具有充足的擊穿電壓，有利于簡化通信電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。被稱為 ABCDXV1 和 ABCDXV2的兩種新技術(shù)增強了 N 通道 DMOS 功率晶體管、高壓 PMOS 器件和結(jié)隔離二極管的擊穿電壓，使它們能夠承受高達(dá) 100V 的直流輸入工作電壓范圍，以便滿足通信電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的瞬態(tài)電壓規(guī)范。這兩種新型平臺（XV1 和 XV2）是建基于現(xiàn)有的 45V ABCD150 技術(shù)平臺（應(yīng)用在流行的 SimpleSwitcherTM 降壓穩(wěn)壓器的大批量生產(chǎn)中），并分別提供 80V 和 100V 擊穿電壓。

表 1 高壓 ABCD 技術(shù)

表中文字的譯文：

三種技術(shù)的基本特性和應(yīng)用概括如下：

技術(shù) DMOS

BVdss特征尺寸電源 IC 應(yīng)用

ABCD150 45V1.5u低端門級驅(qū)動器

后置穩(wěn)壓器控制器

40V 降壓穩(wěn)壓器

ABCD150XV185V1.5uPWM 控制器

熱交換控制器

IEEE 802.3af 控制器

80V 降壓穩(wěn)壓器

ABCD150XV2 115V1.5u橋門級驅(qū)動器

100V 降壓偏置穩(wěn)壓器

利用美國國家半導(dǎo)體公司最近提供的 LM5000 系列中的多種新型高壓高性能電源管理 IC 芯片組，可以迅速組裝許多具有挑戰(zhàn)性的通信用分布式電源總線架構(gòu)和轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從這多種產(chǎn)品中挑選用于電源設(shè)計的產(chǎn)品時，需要考慮的平衡因素包括輸入電壓范圍、預(yù)期輸出數(shù)量、整體系統(tǒng)電源效率要求，以及允許的卡的尺寸和面積大小?，F(xiàn)代的先進(jìn)高壓工藝技術(shù)促進(jìn)了 PWM 控制器、開關(guān)穩(wěn)壓器和功率 MOSFET 門級驅(qū)動器的進(jìn)步，現(xiàn)在這些元件可以被迅速組裝，構(gòu)成輕巧而高效的直流-直流電源模塊。