面向電信系統(tǒng)的電源管理設(shè)計(jì)

隨著帶寬的不斷增加，有線和無線基礎(chǔ)電信系統(tǒng)中的放松管制和競(jìng)爭推動(dòng)了對(duì)于低成本設(shè)備解決方案的需求。電信設(shè)備電源管理要求中需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)不斷增加，這就愈加要求設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)楦鞣N數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、專用集成電路 (ASIC) 和微處理器提供更多的電壓軌。簡而言之，就是要求電源管理解決方案能夠在更小的空間內(nèi)，更高效地生成更多不同的電壓和更大的電流，并降低噪聲。另外，如果說這些要求還不夠具有挑戰(zhàn)性的話，那么這種解決方案還必須要實(shí)現(xiàn)低成本，這恐怕就頗具挑戰(zhàn)性了！

　　更加靠近用戶地部署接入設(shè)備要求更小的附件(襯墊和安裝孔)，其必須能夠經(jīng)受得住較為惡劣的環(huán)境考驗(yàn)。由于局端的空間非常小，因此基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備將被設(shè)計(jì)為更加小型化。推動(dòng)電源管理產(chǎn)品發(fā)展的因素是外形尺寸、散熱管理、成本，以及電氣性能(穩(wěn)壓、瞬態(tài)響應(yīng)以及噪聲產(chǎn)生)。本文將讓您對(duì)板上電源系統(tǒng)的發(fā)展以及最新一代解決方案如何以更小的封裝實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的成本等方面有一個(gè)基本的了解。

　　外形尺寸/效率/成本

　　同時(shí)解決外形尺寸、效率和成本問題的需要，再一次激發(fā)了人們對(duì)電源架構(gòu)的興趣。第一代板上電源使用的電源架構(gòu)被稱為分布式電源架構(gòu) (DPA)(請(qǐng)參見圖1)。這種架構(gòu)每個(gè)電壓軌均使用了一個(gè)隔離式(磚形)電源模塊，因此其在電源軌非常有限的情況下能夠很好地工作，但是每增加一個(gè)電壓軌，成本和 PCB空間都會(huì)隨之大大增加。電壓軌的排序也同樣非常困難，而且還要求增加外部電路，從而會(huì)增加成本和板級(jí)空間占用。

　　為了解決DPA在尺寸和成本方面的局限性，第二代板上電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用固定電壓中間總線架構(gòu)(IBA)(請(qǐng)參見圖2)。IBA采用了單個(gè)隔離式磚形電源模塊和許多非隔離式負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器。POL可以是一些電源模塊(例如：TI的PTH 系列)，也可以是一些分立降壓轉(zhuǎn)換器。隔離式轉(zhuǎn)換器工作在與第一代板上電源系統(tǒng)相同的輸入電壓范圍上，即36V～75V或18V～36V。該降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)IBA電源，并將電壓穩(wěn)壓固定在3.3V、5V和12V。如何選擇電壓取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。憑借TI的Auto-Track等特性，這種設(shè)計(jì)可減少板級(jí)空間的占用，降低成本，簡化電壓排序。這種架構(gòu)唯一的缺點(diǎn)在于效率較低，這是因?yàn)槊總€(gè)電壓都需要進(jìn)行雙轉(zhuǎn)換。

　　當(dāng)今，大多數(shù)電信系統(tǒng)都使用固定電壓IBA。但是，由于接入設(shè)備設(shè)計(jì)采用了密封封裝(seaLED enclosure)，不再需要強(qiáng)制風(fēng)冷，我們就需要一款效率更高、占用面積更小的解決方案了。正如每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都了解的那樣，系統(tǒng)散熱的最佳方法就是避免熱量的產(chǎn)生。由于所有電能都要通過前端隔離式轉(zhuǎn)換器，因此在考慮提高效率時(shí)，前端隔離式轉(zhuǎn)換器就是要重點(diǎn)討論的問題。實(shí)踐證明，提高隔離式轉(zhuǎn)換器效率的方法是使其以固定占空比運(yùn)行，并且不對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓操作，這就是非穩(wěn)壓式中間總線架構(gòu)(請(qǐng)參見圖3)。

　　這種架構(gòu)使用一個(gè)非穩(wěn)壓總線轉(zhuǎn)換器，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓成一定比例的輸出電壓。在本例中，ALD17 5：1轉(zhuǎn)換器生成了一個(gè)輸出電壓，該電壓為輸入電壓的1/5。這種技術(shù)允許一個(gè)150W系統(tǒng)/電路板實(shí)現(xiàn)1/16的磚形設(shè)計(jì)，從而在第一個(gè)轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn)96%的效率。有了寬泛輸入電壓范圍(4.5V～14V)的PWM以及TI的T2產(chǎn)品等電源模塊，就能采用這種非穩(wěn)壓式電壓架構(gòu)。這種架構(gòu)的局限性在于總線轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓范圍是36V～55V，以確保POL的輸入電壓小于12V。之所以最大不能超過12V，是因?yàn)镻OL要生成不高于1V的輸出電壓，輸入電壓不能超過輸出電壓的10～12倍。但是，越來越多的電信原始設(shè)備制造商(OEM)都在考慮轉(zhuǎn)而采用這種輸入范圍，以通過這種架構(gòu)來節(jié)約成本、縮小尺寸并提高效率。

　　一些電信OEM廠商堅(jiān)持使用傳統(tǒng)的36V～75V的寬輸入電壓規(guī)范，輸入瞬態(tài)電壓為100V。為了滿足這些要求，電源行業(yè)推出了半穩(wěn)壓IBA(請(qǐng)參見圖4)。該半穩(wěn)壓IBA和非穩(wěn)壓式IBA之間的主要區(qū)別是，如果輸入電壓超過了55V～60V的范圍，那么該半穩(wěn)壓IBA就將輸出電壓穩(wěn)壓至10V左右。這種方法的缺點(diǎn)是，隔離式電源模塊必須增加尺寸來容納穩(wěn)壓電路，同時(shí)當(dāng)輸入電壓超過55V時(shí)其效率會(huì)降低。TI的PTQB系列就是這類產(chǎn)品的一個(gè)例子。

 [!--empirenews.page--]架構(gòu)比較

　　為了提供有意義的對(duì)比，圖2、3和4中的每一個(gè)例子都采用了相同的輸出電壓和電流要求。這些例子均基于使用多個(gè)高性能DSP的理論基站，并配套使用了模擬和數(shù)字電路。在5A時(shí)該輸出電壓為3.3V，6.5A時(shí)為2.5V，11A時(shí)為1.8V，20A時(shí)為1.2V。圖5對(duì)之前所述的架構(gòu)進(jìn)行了比較。從圖5可以看出，確實(shí)有可能實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)。半穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓電源系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了更高的效率，而且還節(jié)約了板級(jí)空間與系統(tǒng)成本。與第二代固定電壓IBA相比，半穩(wěn)壓/非穩(wěn)壓IBA最為顯著的改進(jìn)是效率。如圖5所示，電源轉(zhuǎn)換效率提高了大約7%。對(duì)于一個(gè)200W的系統(tǒng)而言，這就相當(dāng)于將熱負(fù)載降低了14W。

　　在這些例子中之所以均使用了電源模塊，是因?yàn)樗鼈兛商峁┳畲蟮墓β拭芏?，并且是許多電信OEM廠商的首選解決方案。所有系統(tǒng)中均可以使用分立POL來降低成本，但是板級(jí)空間將會(huì)增加一倍。

　　電氣性能

　　設(shè)計(jì)人員接下來需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是，滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。

　　穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來越小且功耗越來越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需的電壓也不斷降低的更小的晶體管來制造數(shù)字半導(dǎo)體。現(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。除了低壓以外，對(duì)電壓容差的要求也越來越高。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是：線路(輸入電壓變化)、負(fù)載(負(fù)載電流微小變化)、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過3%。這樣，電源設(shè)計(jì)人員就只有30mV的電壓空間來滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負(fù)載、時(shí)間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半(15mV)的容差預(yù)算。剩余的15mV則用來處理計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載帶來的突發(fā)電流變化(1～3個(gè)時(shí)鐘周期)。

　　容差預(yù)算對(duì)那些想在出現(xiàn)電流瞬態(tài)條件下最小化電壓偏離的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)。如果內(nèi)核電壓(VCC)超出規(guī)定容差極限，那么數(shù)字IC可能會(huì)開始復(fù)位，否則就會(huì)產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數(shù)字負(fù)載(例如：最新的千兆赫DSP)要求極快速的瞬態(tài)響應(yīng)和極低電壓偏離。為了達(dá)到這些目標(biāo)，許多附加的輸出電容器通常會(huì)被添加到DC/DC轉(zhuǎn)換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的保持時(shí)間。這種電源模塊(包括為了滿足瞬態(tài)電壓容差而添加的電容)形成了這一完整的電源解決方案。

　　多年來，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高。即便使用更高的容積效率，整個(gè)電源解決方案也會(huì)超過單個(gè)電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間，而在今天更為小型化的系統(tǒng)中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計(jì)入電容器成本的情況下，電源材料的成本甚至可能比電源模塊成本的一倍還高。

　　隨著DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以在使用更少輸出電容的同時(shí)獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更小的電壓偏離。TI推出的T2系列下一代 PTH模塊(請(qǐng)參見圖6)便是一個(gè)典型的例子。這些器件集成了一種被稱為TurboTrans的新型專利技術(shù)，其允許對(duì)模塊進(jìn)行自定義調(diào)諧以滿足特定的瞬態(tài)負(fù)載要求。只需使用一個(gè)單獨(dú)的外部電阻器即可完成調(diào)諧。

 　　TurboTrans可以使輸出電容降為原來的8/1，從而降低了電容的成本并節(jié)約了PCB空間。這種技術(shù)的另一個(gè)好處是，使用具有超低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器可提供增強(qiáng)的模塊電路穩(wěn)定性。這些更新型的Oscon、聚合物鉭電容和陶瓷輸出電容都具有一個(gè)額外的好處，即不但能夠經(jīng)受高溫、而且采用無鉛焊接工藝。

　　影響隔離式和POL轉(zhuǎn)換器性能的決定性因素是噪聲。開關(guān)式POL運(yùn)行在不同頻率上并共享一個(gè)共有輸入總線時(shí)，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會(huì)造成拍頻問題，對(duì)EMI濾波造成困難。由這些頻率的和差分所產(chǎn)生的頻率可以產(chǎn)生拍頻，其使EMI過濾變得困難。

　　舉例而言，如果一個(gè)系統(tǒng)擁有兩個(gè)POL，其中一個(gè)運(yùn)行在300kHz下，而另一個(gè)運(yùn)行在301kHz 下，那么其拍頻就是1kHz。這就要求具有更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)濾波器。TI推出的T2電源模塊擁有一個(gè)SmartSync特性，該特性使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍鄠€(gè)T2模塊的開關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使EMI濾波更加輕松。SmartSync可以用來設(shè)定頻率，以使開關(guān)噪聲在一個(gè)特別頻率帶(即xDSL傳輸頻率)中被最小化。TurboTrans和SmartSync是T2電源模塊上的標(biāo)準(zhǔn)特性，其并不會(huì)額外增加前面所述的系統(tǒng)的成本。

　　利用業(yè)界一流的電源模塊構(gòu)建的電信系統(tǒng)讓系統(tǒng)將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員縮小系統(tǒng)尺寸、降低功耗、滿足高性能數(shù)字電路的電源要求，同時(shí)相比穩(wěn)壓電壓 IBA 系統(tǒng)還可以降低電源成本。