現(xiàn)代通信系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

作者：美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司電源產(chǎn)品市場(chǎng)部戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理 Donald Ashley

　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(diǎn) (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(yǔ)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(lái)設(shè)計(jì)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(kāi)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(guò)使用低成本的負(fù)載點(diǎn)(POL)模塊簡(jiǎn)化板上電源設(shè)計(jì)。

　美國(guó)國(guó)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(dòng)器芯片組，用于這些最新而先進(jìn)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò) 1MHz的開(kāi)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(jí)聯(lián)式電流饋電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（由 LM5041 和 LM5100 控制器驅(qū)動(dòng)器芯片組支持），覆蓋了所有的功率級(jí)別。

　新型 IBA 電源系統(tǒng)方法需要兩級(jí)轉(zhuǎn)換：首先是非穩(wěn)壓隔離級(jí)，然后是多個(gè)緊密調(diào)節(jié)的負(fù)載點(diǎn)板上安裝的直流-直流電源模塊。隔離級(jí)（稱(chēng)作中間總線轉(zhuǎn)換器）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般是開(kāi)環(huán)、非穩(wěn)壓、自由運(yùn)行“直流變壓器”，被選擇用來(lái)隔離和降低總線電壓，同時(shí)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(dòng)器構(gòu)成一個(gè)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(jì)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(jì)中的 LM5033/LM5100 芯片組為例，在該設(shè)計(jì)中，40-60V 輸入總線電壓通過(guò)一個(gè)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(diǎn)模塊中。通過(guò)維持LM5033 雙控制器的輸出在一個(gè)恒定的 50% 占空比，實(shí)現(xiàn)了最高的電源效率，這樣做降低了開(kāi)關(guān) FET 和同步整流器上的電流和電壓應(yīng)力，同時(shí)改善了變壓器的線圈使用率。

圖 1LM5033 中間總線轉(zhuǎn)換器

　IBA 兩級(jí)架構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是更傳統(tǒng)、使用回歸或正向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單級(jí)隔離電源。與那些用于IBA 方法的緊密調(diào)節(jié)負(fù)載點(diǎn)模塊相比，這些電源雖然提供了富有競(jìng)爭(zhēng)力的成本和電源效率，但很難在多個(gè)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(gè)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(jí)通信電源設(shè)計(jì)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(shí)可高達(dá) 100W。該控制器的兩路輸出直接驅(qū)動(dòng) N 通道功率金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和 P 通道復(fù)位 MOSFET。這兩路驅(qū)動(dòng)器輸出的大小不同，主輸出產(chǎn)生較大的 3Apk 門(mén)極驅(qū)動(dòng)，其目的是迅速開(kāi)關(guān)大功率 MOSFET 以便降低開(kāi)關(guān)損耗。復(fù)位 MOSFET 的輸出要小得多，這是因?yàn)樗粋鲗?dǎo)磁化電流，因此門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的大小僅為 1Apk。要實(shí)現(xiàn)最高的效率，兩路門(mén)極驅(qū)動(dòng)器輸出之間的時(shí)序延遲就甚為關(guān)鍵，而 LM5025 控制器就具備了這樣的一個(gè)可編程功能。

　對(duì)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(shí)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?yàn)橥秸髌骺梢灾苯油ㄟ^(guò)次級(jí)變壓器自我驅(qū)動(dòng)，如圖所示。

圖 2LM5025 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(jí)聯(lián)式控制器和 LM5100 半橋驅(qū)動(dòng)器組合而成的芯片組，用于設(shè)計(jì)雙級(jí)級(jí)聯(lián)式降壓饋電轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)高壓降壓前級(jí)穩(wěn)壓器，用于在推挽電源變壓器級(jí)維持一個(gè)固定的電壓，這個(gè)變壓器級(jí)被用作“直流變壓器”，類(lèi)似前文所述的 IBC。通過(guò)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(jí)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(shí)響應(yīng)，同時(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。它的輸出電路具備回掃穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單性和其它優(yōu)點(diǎn)。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(cuò)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(dòng)，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(shí)也降低了輸出元件的應(yīng)力和干擾，使級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合于高輸出功率的應(yīng)用。

圖 3LM5041 電流饋電推挽轉(zhuǎn)換器

圖中文字的譯文：buck stage — 降壓級(jí)push-pull stage — 推挽級(jí)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(jí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) (Vsw)。當(dāng)兩個(gè)漏極均為低電平時(shí)，交迭時(shí)間便會(huì)顯示出來(lái)。推挽級(jí)的工作切換頻率是降壓級(jí)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(hào)跡線：推挽 XFR 的 A 側(cè)

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

trace 3: Push_Pull XFR Side A -- 3 號(hào)跡線：降壓級(jí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)

Note: there … -- 注意：存在一段推、拉開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通的交疊時(shí)間。這是保持感應(yīng)器電流路徑所必需的。

圖 5 展示了雙級(jí)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(dòng)的一個(gè)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(dòng)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(shí)提供電絕緣。LM5642 控制器構(gòu)成負(fù)載點(diǎn)同步降壓轉(zhuǎn)換器，接收來(lái)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(duì) FET、一個(gè)小型輸出電感器和輸出電容器，以及幾個(gè)電阻器和電容器，構(gòu)成了高效率、低成本的 IBA 解決方案。

圖 5xDSL 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(guó)國(guó)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(jiǎn)化通信電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。被稱(chēng)為 ABCDXV1 和 ABCDXV2的兩種新技術(shù)增強(qiáng)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(tái)（XV1 和 XV2）是建基于現(xiàn)有的 45V ABCD150 技術(shù)平臺(tái)（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)

三種技術(shù)的基本特性和應(yīng)用概括如下：

　利用美國(guó)國(guó)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(jì)的產(chǎn)品時(shí)，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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和功率 MOSFET 門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)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。