電源架構(gòu)和電源管理總線介紹

　　人們需要高效率、低功耗、符合能效規(guī)范的電子設(shè)備，需要更高性能、更小形狀因數(shù)的無線系統(tǒng)，這為電源和電源管理設(shè)計(jì)提出巨大的排戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員要為各種DSP、MCU、FPGA、ASIC、音頻/視頻和顯示電路提供多電壓、更大電流、更高效率、更低功耗、更低噪聲、更小形狀因數(shù)的電源和電源管理。為此出現(xiàn)了各種各樣的電源架構(gòu)來滿足變化的電源管理要求。

　　分布式電源架構(gòu)

　　分布式電源架構(gòu)（Distributed Power Architecture，PDA）是基站用的第一代電源架構(gòu)。PDA的一個實(shí)例示于圖1。這種電源架構(gòu)對每個電壓軌用隔離（磚式）電源模塊提供。當(dāng)電壓軌有限時，PDA工作良好，但每增加1個電壓軌，其成本和PCB面積都顯著增加。電壓軌時序也是困難的，需要增加外部電路來解決電壓軌時序，這也會增加成本和板面積。

　　圖1 典型的DPA架構(gòu)

　　中間總線架構(gòu)

　　為了克服DPA尺寸大和成本高的缺點(diǎn)，第二代系統(tǒng)采用中間總線（Intermediate Bus Architecture，IBA）架構(gòu)。中間總線架構(gòu)有固定電壓（fixed voltage）IBA，非穩(wěn)壓（unregulated）IBA和準(zhǔn)穩(wěn)壓（Quasi-regulated）IBA幾種架構(gòu)。圖2所示的固定電壓IBA采用單個隔離磚式電源模塊和很多非隔離負(fù)載點(diǎn)（Pol）DC/DC變換器。Pol可以是電源模塊（如TI公司的PTH系列），也可以是分立的降壓變換器。隔音變換器的輸入電壓范圍（36~75V或18~36V）與第一代相同。它所產(chǎn)生的中間總線電壓穩(wěn)定到3.3V，5V或12V。中間總線電壓選擇取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師。這種設(shè)計(jì)的好處是：較小的PCB面積、較低的成本和較容易的電壓時序（由于有自動跟蹤特性）。這種電源架構(gòu)使效率降低，每個電壓需要兩次變換。

　　圖2 固定電壓中間總線架構(gòu)

　　為了滿足微小區(qū)基站設(shè)計(jì)對高效率和小占位面積的要求，需增加隔離變換器效率，使其工作在固定占空比和不穩(wěn)壓輸出，這就是非穩(wěn)壓中間總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用非穩(wěn)壓總線變換器，其輸出電壓是輸入電壓之比（例如TI公司ALD17 5：1變換器產(chǎn)生的輸出電壓是輸入電壓的五分之一）。用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的150W系統(tǒng)的第一變換級用十六分之一磚式變換器效率可達(dá)96%。這種架構(gòu)的限制是總線變換器的最大輸入電壓范圍是36~55V。Pol的輸入電壓必須小于12V，才能使Pol產(chǎn)生1V或小于1V的輸出電壓。

　　為了滿足一些無線供應(yīng)商堅(jiān)持要保持36~75V傳統(tǒng)寬輸入電壓規(guī)格的要求，電源供應(yīng)商推出準(zhǔn)穩(wěn)壓IBA。這種架構(gòu)與非穩(wěn)壓IBA的主要差別是在輸入電壓超過55~60V范圍，其輸出電壓穩(wěn)定到10V左右。這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是隔離電源模塊必須增大尺寸來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電路和在55V以上效率降低。

　　分比式電源架構(gòu)

　　分比式電源架構(gòu)（Factorized Power Architecture，F(xiàn)PA）采用3個靈活的單元來重新規(guī)定每個變換級的范圍，使得電源密度和效率都比較高。第1個單元是總線變換器模塊（BCM），這是1個窄范圍輸入、非穩(wěn)壓、高效率總線變換器，它采用ZCS-ZVS正弦幅度變換器（SAC）提供隔離和電壓變換。有高電壓（高達(dá)384V）和中電壓（48V）輸入兩個版本。FPA的第2個單元是預(yù)調(diào)器模塊（PRM），這是1個高效率升壓一降壓變換器。FPA的第3個單元是電壓變換模塊（VTM），它與PRM組合在一起提供低電壓輸出（如需要可低到0.82V）。FPA單元為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更大的靈活性、伸縮性和更高的效率（圖3）。就尺寸而言，工作在3.5MHz有效頻率的SAC，對于高電源變換在小封裝中采用平面磁性元件，這種結(jié)構(gòu)使功率密度大于1000W/in3。

　　圖3 FPA系統(tǒng)（效率和尺寸）