電信系統(tǒng)電源

新半導(dǎo)體技術(shù)提供的更高集成度使當(dāng)今的電信系統(tǒng)能夠以越來越小的尺寸集成越來越多的功能。更小幾何形狀的工藝可確保更低的功耗、更低的工作電壓和更少的每功能硅的平方密耳。新的印刷電路板通常包括工作在5V、3.3V、2.5V、O.8V等的IC。

新一代IC的功率要求在負(fù)載、線路和靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)方面更加嚴(yán)格。在某些情況下（例如，受英特爾 VRM 8.2 規(guī)范約束的情況），輸出電壓通過數(shù)字總線進(jìn)行編程，電平介于 1.8V 和 3.5V 之間，負(fù)載電流為 30A 或更高。電源技術(shù)總體上沒有跟上這一趨勢(shì)，盡管半導(dǎo)體技術(shù)允許更高的集成度、完整的自動(dòng)電路板組裝和更小的電路板間距。

除非在極少數(shù)情況下，否則電源無法自動(dòng)組裝。大多數(shù)都有用于熱管理的大型散熱器，迫使手動(dòng)組裝。對(duì)于大多數(shù)電信系統(tǒng)，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)迫使散熱器尺寸的增長(zhǎng)。所需的散熱器表面與電源效率直接相關(guān)（圖 1）。因此，新的電源電壓（3V或更低）對(duì)散熱器尺寸有直接影響?？紤]一個(gè)正激式轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，工作功率為100W：

帶 5V 輸出：PLOSS= 100（P外/eff.）-POUT= 100（100/83） - 100 = 20.5W

帶 3V 輸出：PLOSS= 100（100/70） - 100 = 42.9W

圖1.對(duì)于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，低電壓操作會(huì)降低效率。

將電源電壓從5V下移至3V會(huì)使功耗從20.5W增加到42.9W，從而產(chǎn)生另外22.4W的功耗，這是熱設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。功耗的第一個(gè)問題是內(nèi)部溫度的升高，這會(huì)降低所有組件的MTBF。因此，縮小IC制造的尺寸和成本對(duì)相關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生相反的影響，除非我們考慮 全新的電源管理架構(gòu)。

對(duì)于簡(jiǎn)單的電信系統(tǒng)，為了清楚起見，將其降至最低（圖2），我們考慮了三種可能的電源方法。該系統(tǒng)包括一個(gè)處理高數(shù)據(jù)速率的光纖接口板（如STM-1光纖），一個(gè)包含系統(tǒng)管理和輔助功能的背板，以及多達(dá)10個(gè)線卡，每個(gè)線卡都有一個(gè)低數(shù)據(jù)速率接口，如ISDN'U'、POTS或E1/T1。這些負(fù)載需要多個(gè)輸出，源自標(biāo)稱值 -48V，帶備用電池，可在 -42V 至 -60V 或 -36V 至 -76V 范圍內(nèi)提供。必須與電池進(jìn)行電氣隔離。

圖2.基本組件構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的電信系統(tǒng)。

首先，將接口要求乘以 10，以在系統(tǒng)中最多容納 10 塊板。所需的總功率為230W，分配給五個(gè)固定穩(wěn)壓輸出電壓和一個(gè)通過5位總線編程的可變輸出電壓。該可變輸出的最大容差為 1%，包括線路和負(fù)載調(diào)整率。正在考慮的三種配電架構(gòu)是集中式電源、分布式和隔離式電源以及具有輔助非隔離分布式輸出的集中式單輸出。

集中式電源

該單元產(chǎn)生所有必需的電壓作為與電池電壓隔離的次級(jí)輸出。在本例所需的輸出功率電平（230W）下，典型配置可以是正橋或半橋，控制環(huán)路閉合（例如）在3.3V的主輸出上。其他輸出必須進(jìn)行后置穩(wěn)壓，以符合嚴(yán)格的容差要求。這些后置穩(wěn)壓器可以是線性型或開關(guān)型，每種類型都獨(dú)立于其他類型，由具有耦合輸出電感器的多個(gè)次級(jí)變壓器驅(qū)動(dòng)（圖 3）。

圖3.在這種多輸出電源中，每個(gè)次級(jí)器件包括耦合電感器和一個(gè)后線性穩(wěn)壓器IC。

這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：定制設(shè)計(jì)的磁性元件難以生產(chǎn)，寄生元件會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生巨大影響，并且系統(tǒng)效率低。請(qǐng)注意，較低的輸出電壓會(huì)導(dǎo)致較低的效率，因?yàn)?a target="_blank">整流二極管和線性穩(wěn)壓器（甚至LDO類型）所代表的損耗占輸出的百分比更大。

考慮對(duì) 1.5V 輸出進(jìn)行簡(jiǎn)化分析（圖 4）。假設(shè)電流占空比為50%，整流二極管電流等于I外，電感損耗僅與電阻有關(guān)，與磁芯材料、開關(guān)頻率等引起的磁效應(yīng)無關(guān)。出于類似的原因，我們忽略了電容器中ESR引起的損耗：

POUT = IOUTVOUT = 10(1.5) = 15W

PL = IOUTVOUTRL = 10(10)(0.01) = 1W

PD1 + D2 = VD(IOUT) = 10(0.4) = 4W

PLDO = IOUTVLDO = 10(0.6) = 6W

Eff. = POUT/(PL + PD1 + PD2 + PLDO + POUT) = 15 / (1+ 4 + 6 + 15) = 58%

圖4.由于存在固定損耗，較低的輸出電壓意味著該線性穩(wěn)壓電源的效率較低。

因此，對(duì)于輸送到負(fù)載的每瓦特，電路損失0.7W作為熱能，這不是一個(gè)有吸引力的能量使用。更有趣的是基于開關(guān)后置穩(wěn)壓器的系統(tǒng)（圖 5）。

圖5.這些開關(guān)模式穩(wěn)壓器（與線性類型相比）提供更高的效率以及更大的復(fù)雜性和噪聲。

圖5中的5V主輸出由光耦合器反饋調(diào)節(jié)，所有其他輸出由IC調(diào)節(jié)，如同步降壓型（MAX1630、MAX1637、MAX1652和MAX1638）或MAX774負(fù)輸出電壓反相型。使用來自不同供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)“現(xiàn)成”磁性元件，同步降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生的1.5V輸出可實(shí)現(xiàn)87%的效率，而線性穩(wěn)壓器方法的效率為58%。

圖6所示的降壓穩(wěn)壓器IC包括同步整流功能，是目前同類器件中最大的成員。它具有降壓調(diào)節(jié)功能，具有過壓和欠壓保護(hù)、電流保護(hù)和輔助電壓能力。

圖6.這款降壓型控制器IC提供具有同步整流功能的雙路輸出。

另一種可能性是使用反相DC-DC控制器從正電壓產(chǎn)生負(fù)電壓，如圖7所示。該 IC 和一些外部元件（電感器、功率 MOSFET 和輸出電容器）提供了產(chǎn)生該系統(tǒng)所需的 -5V @ 2A 的最簡(jiǎn)單方法。Maxim評(píng)估套件集成了上述所有器件，簡(jiǎn)化了電路板布局并加快了設(shè)計(jì)過程。

圖7.這些開關(guān)模式IC將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的負(fù)輸出。

在大多數(shù)情況下，中央電源是定制設(shè)計(jì)，安裝在易于訪問和方便的熱管理的位置。該規(guī)范由系統(tǒng)或設(shè)計(jì)工程師編寫，并提交給公司的電源部門或?qū)ｉT從事電源設(shè)計(jì)和制造的許多其他公司之一。無論哪種方式，最終結(jié)果都是交付經(jīng)過全面測(cè)試和合格的“黑匣子”。

來自電池的高電壓僅影響電源的輸入部分。出于安全原因并符合 EN60950、UL950 等規(guī)范，所有次級(jí)輸出都與電池隔離。符合這些標(biāo)準(zhǔn)安全規(guī)范還可確保集中電源可以在整個(gè)系統(tǒng)中分配其調(diào)節(jié)電壓，并且無需擔(dān)心到設(shè)備其他部分的間隙距離。

為了實(shí)現(xiàn)冗余，您可以使用串聯(lián)二極管輕松并聯(lián)兩個(gè)電源，在相應(yīng)的輸出之間創(chuàng)建OR連接。這種架構(gòu)使電源的成本和尺寸翻倍，但它通常用于中小型電信系統(tǒng)中的開關(guān)后置穩(wěn)壓。

對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如前面提到的示例，這種方法存在兩個(gè)問題：首先，需要昂貴的電纜和連接器線束來為系統(tǒng)中的所有電路板承載高負(fù)載電流。其次，板之間的電壓調(diào)節(jié)是一個(gè)問題;遙感可以保證一塊板上的穩(wěn)壓，但它不一定在其他板上提供足夠的容差來確保安裝在其上的各種IC正常運(yùn)行。最后一點(diǎn)通常排除了對(duì)集中式電源的考慮。即使對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，降低電源電壓的趨勢(shì)和對(duì)更嚴(yán)格監(jiān)管的需求也使得集中式方法越來越難以實(shí)施。

分布式和隔離電源

在這種方法中，電池電壓（-48V）提供給系統(tǒng)中的所有電路板（圖8），并且每個(gè)電路板都包含一個(gè)或多個(gè)適合該板要求的電源。從某種意義上說，集中式電源被分成各種較小的DC-DC轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都獨(dú)立于其他轉(zhuǎn)換器。為此，當(dāng)今市場(chǎng)提供了廣泛的單輸出和多輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器，其容量從幾瓦到超過600瓦。例如，兩個(gè)電路中的任何一個(gè)都可以滿足“接口板”電源要求：

1. 三個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器
2.一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器和三個(gè)開關(guān)后置穩(wěn)壓器

第一個(gè)解決方案很簡(jiǎn)單;您可以購買三個(gè)“現(xiàn)成”模塊，并根據(jù)制造商的EMI濾波，短路保護(hù)，熱管理等規(guī)格將它們安裝在板上。缺點(diǎn)是成本（每瓦），因?yàn)槊總€(gè)模塊都需要自己的隔離變壓器、反饋回路和其他組件。第二個(gè)電路的成本降至最低，因?yàn)楦綦x和主輸出電壓由一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器提供，而簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器則提供其他穩(wěn)壓輸出。功率要求通常在10W至30W范圍內(nèi)，因此反激式或正激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢杂糜诘谝患?jí)。

圖8.一種配電方法是將原始電池電壓（-48V）路由到每個(gè)電路板，并根據(jù)需要進(jìn)行下變頻。

在圖9的簡(jiǎn)化原理圖中，初級(jí)側(cè)控制器（PFM MAX1771或PWM MAX668）提供了一些有趣的特性。兩者都是CMOS芯片，功耗非常低，并且可選使用外部p溝道開關(guān)MOSFET，使兩款器件能夠在不改變控制電路的情況下提供寬范圍的功率。后置穩(wěn)壓由MAX1627實(shí)現(xiàn)，MAX90是一款簡(jiǎn)單的PFM降壓型穩(wěn)壓器，具有外部開關(guān)MOSFET。PFM控制的最大優(yōu)勢(shì)是效率與輸出負(fù)載的關(guān)系：在這種情況下，從2mA到2A超過<>%！

圖9.作為圖8所示方法的替代方案，將電池電壓下變頻（并隔離）一次，并將該較低電壓分配給各種簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器。

MAX6501采用微型SOT23封裝提供溫度保護(hù)。當(dāng)其封裝達(dá)到預(yù)設(shè)的內(nèi)部電平時(shí)，其輸出邏輯狀態(tài)將發(fā)生變化，以警告可能存在的熱問題。因此，您可以通過將這些器件安裝在變壓器、功率MOSFET和系統(tǒng)中的其他熱點(diǎn)附近來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的熱保護(hù)。

兩個(gè)器件完善反饋環(huán)路：精密、低壓差、微功耗電壓基準(zhǔn)（MAX6025）提供小于20ppm/°C的溫度系數(shù)和優(yōu)于0.2%的初始精度。微功耗運(yùn)算放大器（MAX4040）提供90kHz增益帶寬乘積，電源電流僅為10μA。兩款器件均采用微型 SOT23 封裝。

由于分布式電源系統(tǒng)在其使用點(diǎn)附近調(diào)節(jié)功率，因此它很容易滿足當(dāng)?shù)貙?duì)線路、負(fù)載和靜態(tài)調(diào)節(jié)的要求。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，分布式電源系統(tǒng)中的小型轉(zhuǎn)換器（與通常由外部分包商開發(fā)的大型中央電源不同）可以輕松適應(yīng)電路板設(shè)計(jì)開發(fā)過程中經(jīng)常發(fā)生的電源要求變化。

冗余并不總是需要重復(fù)電源（1+1 冗余）;N+1 冗余有時(shí)就足夠了。這里，N是代表系統(tǒng)所需所有功率的各種電源電壓的總和，激活一個(gè)備用電源電壓只是為了替換故障輸出（然后維護(hù)用故障輸出替換電路板）。如果電源具有熱插拔功能，則可以在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下修復(fù)此故障。維護(hù)更容易，因?yàn)槟梢愿菀椎馗鼡Q印刷電路板，而不是帶有所有連接器的大型集中電源。

從電磁的角度來看，系統(tǒng)必須符合將要安裝它的各個(gè)國家/地區(qū)規(guī)定的所有規(guī)范。因此，為了抑制由于來自各種電源的開關(guān)頻率相互作用而產(chǎn)生的噪聲，必須在每塊電路板的電源輸入端安裝EMI濾波器。為了防止這些多個(gè)濾波器產(chǎn)生EMI問題，您可能還需要在-48V總線上安裝一個(gè)額外的濾波器（圖10）。

圖 10.為確保符合每個(gè)國家的EMI規(guī)范，請(qǐng)?jiān)谥鬓D(zhuǎn)換器和所有輔助下變頻器上安裝EMI濾波器。

同步轉(zhuǎn)換器頻率可能無法解決問題;有時(shí)它甚至?xí)箚栴}變得更糟。如果所有轉(zhuǎn)換器都以相同的頻率切換，則第一次諧波將具有更多的能量，并且EMI濾波器中需要更多的衰減。這種架構(gòu)的一個(gè)低效方面是隔離和從-48V到3.3V的下變頻。此外，在整個(gè)系統(tǒng)中安裝IC轉(zhuǎn)換器也存在熱管理問題。您可以為每個(gè)散熱器添加一個(gè)散熱器，但這也會(huì)增加系統(tǒng)的成本和處理能力。

PC 板上封裝的高度不能很大，并且 -48V 的存在需要在電路板上的二次電子元件之間留出特定量的間隙。這種間隙需求意味著不能在昂貴的多層PC板上使用一定數(shù)量的保護(hù)區(qū)域。作為通過半導(dǎo)體技術(shù)獲得集成優(yōu)勢(shì)的折衷方案，將集中式電源的優(yōu)點(diǎn)與分布式和隔離電源的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)新設(shè)備非常感興趣。

將集中式電源與分布式非隔離電源相結(jié)合

由于-48V總線意味著安全問題，而3.3V總線存在線路和負(fù)載調(diào)節(jié)困難，因此最佳解決方案可能是中間配電電壓。原理是使用單輸出集中電源，實(shí)現(xiàn)與電池的電流隔離，同時(shí)將輸入電壓（36V至76V）降壓至12V。12V 用作系統(tǒng)的內(nèi)部總線，非隔離穩(wěn)壓器根據(jù)需要從中獲取其他電源電壓。

唯一的隔離是在從-48V降壓至12V的轉(zhuǎn)換器中。由于12V將由當(dāng)?shù)胤€(wěn)壓器在板級(jí)進(jìn)一步降壓，因此嚴(yán)格的12V穩(wěn)壓不是必需的;公差為 ±10% 或更高是可以接受的。這種寬松的規(guī)格允許基于主變壓器的輔助繞組進(jìn)行調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單反饋回路。輔助繞組通常也為轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)供電，因此無需次級(jí)IC控制器和光耦合器。

接近 12V 的電壓是理想的，因?yàn)樗谂潆娍偩€中沒有過大電流的情況下提供可接受的效率。它允許合理的熱管理，并且通過正向或全橋，可以輕松實(shí)現(xiàn)82%至85%的效率。12V電源應(yīng)安裝在可接近的位置，以便在外部世界和電源散熱器之間實(shí)現(xiàn)最大的熱交換，但不會(huì)將熱空氣引向熱敏元件。一旦知道這種功耗，機(jī)械設(shè)計(jì)人員就可以執(zhí)行分析（比具有多個(gè)熱源的系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多），以優(yōu)化設(shè)備內(nèi)的氣流。

這種12V電源將占系統(tǒng)功耗的四分之三以上。假設(shè)該級(jí)效率為10%，第二級(jí)后置穩(wěn)壓器的效率為83%，則每向負(fù)載輸送95W，則系統(tǒng)在第一次下變頻至2V時(shí)功耗為12W，在從0V至5.12V的第二次下變頻中功耗僅為3.3W。因此，熱分析應(yīng)主要關(guān)注第一個(gè)模塊（12V電源），而不是后置穩(wěn)壓器。實(shí)際上，可以選擇它們的位置來優(yōu)化印刷電路布局。

請(qǐng)注意，串聯(lián)兩個(gè)轉(zhuǎn)換的效率通常與單次轉(zhuǎn)換的效率相同或更高，例如從-48V到+3.3V。兩個(gè)或多個(gè)輸出電壓進(jìn)一步增加了單次和雙次轉(zhuǎn)換之間的效率差距。您可以根據(jù)需要合理地向 12V 總線添加任意數(shù)量的后置穩(wěn)壓器，但將高壓轉(zhuǎn)換器直接添加到 -48V 總線既龐大又昂貴。

由于第一個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入為電池電壓，其輸出為安全隔離，因此在定位轉(zhuǎn)換器或其電源總線時(shí)無需特別注意間隙距離或爬電距離。此外，您可以通過在每個(gè)板級(jí)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端添加濾波器來減少反射紋波。一階LC濾波器通常就足夠了，因?yàn)殡姵刂?2V轉(zhuǎn)換器有自己的EMI濾波器。

這種EMI濾波器的衰減必須超過相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制，這些標(biāo)準(zhǔn)通?？紤]環(huán)境和終端設(shè)備的類型。噪聲由第一個(gè)轉(zhuǎn)換器和12V輸出端的后置穩(wěn)壓器產(chǎn)生。

電荷泵系列轉(zhuǎn)換器（圖11）能夠升壓或反相輸入電壓。輸出電壓可以不穩(wěn)壓或反饋以提供穩(wěn)壓。對(duì)于非穩(wěn)壓器件，輸出電平取決于輸入電壓和負(fù)載電流。不需要磁性部件。內(nèi)部開關(guān)首先將外部電容器連接到輸入端，然后將其充電至 V在.然后，其他內(nèi)部開關(guān)將同一電容器連接到輸出側(cè)。

圖 11.電荷泵轉(zhuǎn)換器可以反相或降壓輸入電壓并調(diào)節(jié)輸出，所有這些都無需使用電感器。

由于沒有磁性元件，因此人們對(duì)這種用于板級(jí)應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器類型產(chǎn)生了興趣。電荷泵轉(zhuǎn)換器（如MAX682）具有更高的開關(guān)頻率和更低的導(dǎo)通電阻，可在僅5mm x 250.5mm （8mm）的空間內(nèi)提供6V @ 44mA電流。2).

更高的功率電平由開關(guān)模式穩(wěn)壓器管理，該穩(wěn)壓器采用外部電感器，采用升壓、降壓和升壓/降壓配置。Maxim推薦經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證的電感器，通常指定來自兩個(gè)或多個(gè)供應(yīng)商的零件號(hào)。大多數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的SMD零件，在全球范圍內(nèi)可用，并且“現(xiàn)成”，易于采購和全自動(dòng)組裝。

您可以選擇具有內(nèi)部功率MOSFET和控制電路的器件，如MAX887，一種能夠在SO封裝中提供500mA電流的降壓型穩(wěn)壓器，或者M(jìn)AX710，一種低壓差（LDO）升壓轉(zhuǎn)換器，在500QSOP封裝中提供16mA電流。為了管理高達(dá)35A的輸出電流，MAX1638等器件采用外部功率MOSFET。

MAX1638（圖12）為同步降壓控制器，能夠通過數(shù)字總線改變其穩(wěn)定的輸出電壓。它符合英特爾的 VRM 8.2 規(guī)范，可提供大輸出電流（超過 35A），并且需要小于滿足負(fù)載調(diào)節(jié)指定動(dòng)態(tài)容差水平所需的輸出電容器。為了限制負(fù)載電流快速變化引起的過沖和下沖，MAX1638控制由兩個(gè)小功率MOSFET組成的“毛刺捕捉器”電路，通過減小電容尺寸來節(jié)省成本和空間。

圖 12.該降壓型控制器提供同步整流和數(shù)字可調(diào)輸出電壓。

當(dāng)輸出電壓超出穩(wěn)壓狀態(tài)超過 ±2% 時(shí)，p 或 n 溝道毛刺捕獲器開關(guān)接通，通過將電流從輸入或接地直接注入輸出，迫使輸出重新進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)。對(duì)于使用最小值輸出電容的應(yīng)用中小于2V的輸出，此操作最為有效。

審核編輯：郭婷