通信系统电源设计的挑战、趋势与应用实例

2万 · 2013-9-26 11:05

现在的通信系统电源面临稳压、散热、输入噪声和成本等设计挑战，而板上电源设计和多相方法可以解决通信系统中低电压大电流电源的设计困难，满足成本和电性能要求。

为了处理日益复杂的实时计算，今天的通信系统需要采用许多大功率计算集成电路，如CPU、FPGA和存储器等。计算速度越来越高使得时钟频率和电源电流不断提高，有些器件需要的电流已经超过了100A。一方面电源电流在不断增加，另一方面由于计算器件采用更为精细的线宽制造工艺，电源电压则已下降到将近1V。低电压大电流容易导致功率损耗，因此线性调节器已不适合用于这类电源中，可以采用高性能开关电源拓扑结构实现高效率电源设计。

存在的问题

与当今很多系统一样，通信系统电路板单位面积成本越来越高。尺寸约束再加上要求成本更低的压力以及新技术难题，使得低电压大电流电源成为通信系统中最为困难的设计任务之一。设计中主要面临下面一些技术问题：

◆ 稳压由于电源电压下降到1V，供电线路中即使低至50mV的细微电压波动也有可能对计算器件性能造成干扰，因此必须进行严格的直流稳压。大电流输出是电压波动的一个主要原因，如PCB线路上或电源输出与CPU电源管脚之间连接器上的10～50mV电压降。当输出电压在1V～1.5V范围内时，这些电压降的影响很严重，故而需要在电压输出线(正线)和电源回路线(负线)上进行远程电压检测。

另一个问题是在执行不同系统命令时，先进计算器件的瞬时供电电流变化可达20A以上，如此大幅度负载跳变再加上很高的电流转换速率会导致电源电压下降或调节过度，所以电源必须具备极快的瞬态响应才能处理这类动态负载，并使输出电容器件尺寸尽可能小。

2万 · 2013-9-26 11:06

◆ 散热由于封装密度随系统复杂度增加而增加，散热成了系统硬件设计师必须面对的一项更加困难的挑战，同时高性能计算器件对电压调节的严格要求还需要电源位置与它尽量靠近。因此应将电源功耗降到最小并消除PCB和电源器件中的发热部位，避免使已经很热的计算器件温度再度增加，这一点是非常重要的。

◆ 输入噪声随着3.3V成为许多通信子系统的主要供电电压，必须对3.3V电源线上的噪声进行抑制，以确保从该电源线获得电源供应的逻辑器件能够正确工作。由于降压开关电源中输入的是脉动电流，所以需要一个大电容或大LC滤波器来滤除输入噪声，滤波器的体积和成本一般随输出电流的增加和输入电压的降低而增大。

◆ 成本现有的电源模块通常很贵，且对于大多数实际电源应用需求而言，标准电源模块性能常常又超过要求。而定制模块设计又需要一定时间，还会增加额外的成本，因此系统设计师需要寻求其它方案来降低成本。

新技术趋势

为了解决这些设计中的困难和挑战，通信系统应用的低电压大电流电源设计出现了下面一些新趋势。

◆ 板上电源(on-board power supply)逐渐流行由于每个板上电源的额定功率可以很容易地根据实际功率需求来确定，因此它们的成本和体积可以降到最低。同时与标准电源模块相比，板上电源在技术上还有下面的几个优势。

?负载调节更加理想。板上电源消除了电源输出与负载之间的互连电阻和电感，可以取得更理想的直流和瞬态调节效果。

?效率更高。这种方案消除了电源连接器上的传导损耗，此外板上电源可以使用接地层和其它直流电源层传导直流电流，因为这些系统层阻抗低于小型电源模块阻抗，所以降低了PCB引线上的传导损耗。

2万 · 2013-9-26 11:06

?更好的散热管理。对于板上电源而言，整个系统电路板就起到了一种散热器的作用，因此热点位置的温度要比电源模块上的低得多(电源模块上用于散热的PCB面积非常有限)，从而提高了系统的长期可靠性。

?更低的成本。由于板上电源可以根据实际功率需求进行优化，因此这种方案的成本比大功率标准电源模块更低，它还节省了大电流连接器的费用，另外更加理想的瞬态调节进一步减少了输出去耦电容的数量。板上电源的大多数器件还可用于其它系统功能模块中，这些器件潜在的批量价格优势也会进一步降低成本。

◆ 多相技术成为大电流电源设计标准传统的单相方案通过将多个MOSFET并联再用一个庞大的电感器来传输所需大电流，这种方**在MOSFET上导致较大开关损耗，且在电感器和MOSFET焊盘上引起电流堆积，影响PCB的可靠性。由于效率与开关频率都很低，必须使用大输出电感器，使瞬态响应变缓。多相拓扑结构基于现有电源器件技术之上，相比单相结构要优越很多，尤其当供电电流超过20A时。

多相技术对多个并联电源的相位采取交错使用方式，可在电源输入输出端消除纹波电流，进而大大提高性能并降低成本：

?纹波电流消除后可减小输入电容、输出电感和输出电容的尺寸和成本。?输入纹波电流消除后降低了输入噪声，这对使用3.3V供电总线的应用特别有吸引力。

?由于在瞬态场合输出电感并联以后效果更好，因而可得到更快的负载瞬态响应，另外较小等效电感提高了输出电流转换率。

2万 · 2013-9-26 11:06

?更低开关损耗和均匀电流传输使电源效率更高，这进一步缓解了散热问题，并提高系统的整体可靠性。

◆ 隔离设计中需要同步整流和次级控制在通信系统中，有些低电压大电流电源的输入从-48V背板而来，必须采用变压器耦合结构实现电气隔离。这些电源里次级整流器的传导损耗是功率损耗的主要原因，使用同步整流可以大幅降低这类功耗。由于自驱动同步整流在某些工作条件下不太可靠，因此在可靠性非常重要的通信应用中应采用外部驱动技术。

传统的隔离电源设计采用初级控制，输出反馈误差电压通过光耦合器传送给初级控制器，这使回路的带宽变得很窄(约为几kHz)，且这种方式的负载瞬态响应也很慢。一种替代方案是次级PWM控制或调节后控制，在250kHz开关频率下可以达到50kHz环路带宽，在低电压大电流电源设计的隔离中，该方案开始得到更多设计工程师的关注。

低电压大电流电源设计实例

大部分电信设备从中央局端的-48V背板接受输入信号，如果线路板上需要多个大电流电源，最好将48V转换为5V到12V之间的隔离输出电压，然后再用多个非隔离DC/DC转换器从中生成低压电源。不过如果只需要两三种输出电压，也可以直接从48V进行转换，此时通常需要用次级PWM控制以实现理想的输出调节。以下是两个设计实例，第一个是将中间电压转换为低电压的多相非隔离电源，第二个是输入为-48V(-36～75V)的两路输出隔离电源。

2万 · 2013-9-26 11:07

◆ 实例一：3.3～12V输入1.5V/40A输出多相电源

图1是一个简化的两相40A电源，这种设计采用了Linear Technology公司的LTC3729UH两相同步降压控制器。LTC3729驱动相位差为180度的两个大功率同步降压级，控制器采用峰值电流模式控制以确保在并联的两端之间精确分配电流，并通过片上差分放大器实现对正负输出电压线路的远程检测。不是所有的多相控制器都能对负极输出端进行远程监测。

对于需要超过40A的应用，解决方法是增加更多级，各级之间保持一定的相位差。利用多个LTC3729芯片可很容易增加多个具有相位差的级，将反馈误差放大器连接在一起可实现自动电流分配。图2是使用六个LTC3729控制器实现十二相电路的示意图。

2万 · 2013-9-26 11:07

实例二：带后调节的高效-48V(-36V到-75V)输入双输出(3.3V和2.5V)隔离电源传统上多路输出隔离电源靠输出电感器耦合实现辅助输出调节，但辅助输出的负载调节效果很差，而且耦合大电流电感器制造很困难，成本较高。本设计采用一个基于LT3710的后调节器，LT3710驱动同步降压电路降低次级线圈电压。图3是一个-48V输入、3.3V和2.5V输出的隔离电源简化原理图。该设计方案在两个输出级都采用了同步整流器：LTC1698在3.3V输出端驱动同步整流器，并将3.3V电压反馈给初级；LT3710在2.5V端驱动MOSFET，并在次级直接调节2.5V输出电压。这个方案能在两个输出端都实现较高的效率，并在2.5V输出端得到快速负载瞬态响应。同步整流对于2.5V输出端尤其重要，因为下面的MOSFET大部分时间是导通的。该设计在初级采用了一种双开关正向拓扑结构，由于初级FET上所承受的最大电压为最大输入电压(75V)，因此可以采用低损耗100V FET实现高效率设计。初级控制器(LT1681)有三个主要功能：驱动两个初级开关、生成LTC1698同步信号，以及从次级接收3.3V反馈信号实现3.3V输出调节。如果需要第三种输出，可以再向次级增加一个LT3710电路。