如何為通信結(jié)構(gòu)設(shè)備挑選合適的電源供應(yīng)設(shè)計(jì)

通信結(jié)構(gòu)設(shè)備采用的電源供應(yīng)系統(tǒng)由多種不同的元件組成。已校正功率因素 (PFC) 的交流/直流電源供應(yīng)器在前端部分設(shè)有負(fù)載電流共用及冗余核對(duì)功能 (N+1)，可為緊密聚集在后端部分的高效率直流/直流模塊及負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器提供饋電。我們必須采用極具能源效益的電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，才可為高電壓模擬電路提供供電，以及為高速數(shù)字通信特殊應(yīng)用集成電路 (ASIC) 及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 芯片提供高度穩(wěn)定的低壓供電。

由于不同系統(tǒng)對(duì)電源供應(yīng)器有不同的要求，加上通信市場(chǎng)也一直在變，而且變化相當(dāng)大，令通信設(shè)備制造商不得不進(jìn)一步節(jié)省生產(chǎn)成本，也不得不采用更具能源效益和更加可靠的電源供應(yīng)解決方案，以保持他們?cè)谑袌?chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

由于目前的營商環(huán)境充滿挑戰(zhàn)，因此全新的電壓分配總線標(biāo)準(zhǔn)便應(yīng)運(yùn)而生，最近推出的 +12 伏 (V) 中間總線結(jié)構(gòu) (IBA) 便是一個(gè)好例子。我們只要采用低成本的無穩(wěn)壓 (開放環(huán)路) "磚"型轉(zhuǎn)換器 (brick)，將 -48 伏總線轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn) +12 伏中間總線，便可使用新一代的低成本負(fù)載點(diǎn) (POL) 模塊。這些采用單列直插式封裝 (SIP) 及表面安裝元件 (SMD) 封裝的小型負(fù)載點(diǎn)模塊可為系統(tǒng)的不同負(fù)載提供低壓供電，而且這是一個(gè)極具成本效益的方案。

但這些新一代的負(fù)載點(diǎn)模塊還要面對(duì)不斷涌現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，例如分隔混合式電源供應(yīng)系統(tǒng)，其中包括采用級(jí)聯(lián)電流饋送或電壓饋送推拉式轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)。有些半導(dǎo)體供應(yīng)商更特別為設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器的工程師提供設(shè)計(jì)支持，使他們可以將低成本的小型分隔式電源供應(yīng)器直接嵌入主機(jī)板或線卡內(nèi)。美國國家半導(dǎo)體新推出的高集成度 100 伏高電壓功率特殊應(yīng)用集成電路 (ASIC) 如 LM5041 級(jí)聯(lián)脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器及 LM5030 推拉式脈沖寬度調(diào)制控制器不但可將所需的外置元件數(shù)目減至最少，而且也可將印刷電路板的面積盡量縮小。該款級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器能夠直接利用 -48 伏總線提供的供電，以產(chǎn)生多個(gè)低電壓輸出，整體效率比利用 +12 伏中間總線轉(zhuǎn)換器提供供電的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器高，而成本則更低。

究竟應(yīng)選用現(xiàn)成的負(fù)載點(diǎn)模塊與中間總線轉(zhuǎn)換器模塊，還是采用半導(dǎo)體廠商的嵌入式電源供應(yīng)參考設(shè)計(jì)，以降低成本及提高效率？關(guān)于這個(gè)問題，設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器的工程師必須從中做出取舍。信息設(shè)備制造商開發(fā)新一代的低成本設(shè)備時(shí)，都比以往更為認(rèn)真地研究成本、設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和不同風(fēng)險(xiǎn)的取舍。如果采用電源開關(guān)及內(nèi)置的磁變壓器會(huì)令個(gè)人電腦電路板的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，即使嵌入式電源供應(yīng)解決方案很明顯可以大幅節(jié)省成本及能源，始終會(huì)有部分廠商為不招致麻煩而拒絕采用這類嵌入式的電源供應(yīng)解決方案。

對(duì)于設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單而又只需提供一個(gè)供電電壓的電源供應(yīng)系統(tǒng)來說，加設(shè)變壓器所涉及的額外成本實(shí)在微不足道，而且也不會(huì)令設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。但需要輸出多個(gè)不同電壓的電源供應(yīng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上便顯得較為復(fù)雜，特別是需要采用設(shè)有多個(gè)次級(jí)線圈、令設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的變壓器。需要提供多個(gè)電壓輸出的設(shè)計(jì)也可采用較為復(fù)雜的穩(wěn)壓電路，利用其可以感測(cè)多個(gè)電壓輸出的功能控制反饋環(huán)路。

網(wǎng)絡(luò)電話 (VoIP)、數(shù)字用戶線路 (DSL) 以及第三代移動(dòng)電話基站的電源供應(yīng)設(shè)計(jì)都必然有不同程度的復(fù)雜性。有多個(gè)因素會(huì)影響這三種電源供應(yīng)設(shè)計(jì)的表現(xiàn)，我們將會(huì)在下文一一討論。

網(wǎng)絡(luò)電話 (VoIP)

網(wǎng)絡(luò)電話的直流/直流轉(zhuǎn)換器采用不太復(fù)雜的高功率單輸出變壓器設(shè)計(jì) (典型電壓介于 250W 與 500W 之間)，以便為主 -48 伏電壓分配總線提供緩沖。配電式總線的電壓若要保持平穩(wěn)，便需采用笨重的電容器，以便將 36 至 72 伏的傳統(tǒng)操作電壓范圍縮窄至 43 至 57 伏之間，而采用單電壓輸出變壓器的設(shè)計(jì)可將笨重電容器的成本及電容減至最少。所有下向變頻器或配電式總線上的其他負(fù)載也具有故障保護(hù)及安全隔離等功能。我們?nèi)舨捎每芍С侄鄠€(gè)并行輸出及負(fù)載電流共用等功能的直流/直流轉(zhuǎn)換器，便可以提供故障承受 (N+1) 及散熱功能，有助降低系統(tǒng)操作時(shí)的溫度，使系統(tǒng)更耐用，性能更可靠。

一般來說，網(wǎng)絡(luò)電話轉(zhuǎn)換器需要的電源供應(yīng)電路布局設(shè)計(jì)必須具備性能卓越 (高轉(zhuǎn)換效率，極低線路電流)、容易使用、具成本效益、以及外形小巧纖薄等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上有多種不同的布局設(shè)計(jì)可供選擇，每一種都在某一程度上可以滿足這些要求。例如，回掃轉(zhuǎn)換器便以其布局簡(jiǎn)單而甚受歡迎?；貟咿D(zhuǎn)換器與降壓轉(zhuǎn)換器 (如正向轉(zhuǎn)換器) 不同，回掃轉(zhuǎn)換器無需采用變壓器磁通復(fù)位機(jī)制或輸出電感器。回掃轉(zhuǎn)換器雖然擁有這些優(yōu)點(diǎn)，但用于某些應(yīng)用方案時(shí) (尤其是高輸出電壓系統(tǒng)如網(wǎng)絡(luò)電話應(yīng)用方案)，便需要加設(shè)昂貴的電容器，才可在輸入及輸出端過濾較大的紋波電流，這是回掃轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)。但我們只要在反相位內(nèi)交錯(cuò)使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，便可減低紋波電流，將回掃及正向轉(zhuǎn)換器的紋波電流問題緩解。若所有因素 保持不變，交錯(cuò)系統(tǒng)的輸入及輸出紋波電流遠(yuǎn)比那些采用一個(gè)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)少。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)來說，推拉式轉(zhuǎn)換器 (圖1) 是一個(gè)成效遠(yuǎn)比回掃轉(zhuǎn)換器理想的解決方案。推拉式轉(zhuǎn)換器基本上由兩個(gè)交錯(cuò)的正向轉(zhuǎn)換器組成，但其中只有

一個(gè)可自行復(fù)位的變壓器以及一個(gè)輸出電感器。以此來說，推拉式轉(zhuǎn)換器只比一個(gè)獨(dú)立的正向轉(zhuǎn)換器稍微復(fù)雜一點(diǎn)，其紋波電流因?yàn)榻诲e(cuò)效應(yīng)的關(guān)系而得以大幅減少，也因?yàn)檫@個(gè)緣故，推拉式轉(zhuǎn)換器可以使用較小型的輸入電感器。由于輸出電感器會(huì)將輸出紋波電流減弱，因此推拉式轉(zhuǎn)換器可以使用額定紋波電流較低的低成本電容器。一般的回掃轉(zhuǎn)換器只適用于不超過 150W 左右的功率轉(zhuǎn)換，但推拉式轉(zhuǎn)換器可以在高達(dá)千瓦的功率水平下正常操作，而且成效令人滿意。

此外，需要發(fā)揮更高轉(zhuǎn)換效率的網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)可以采用較為復(fù)雜的布局，以確保輸入電壓處于兩個(gè)極端時(shí)，系統(tǒng)仍可發(fā)揮極高的效率。設(shè)有電流饋送推拉式轉(zhuǎn)換器的級(jí)聯(lián)降壓布局設(shè)計(jì)便是一個(gè)好例子。(注意：最適用于這種布局的 LM5041 專用脈沖寬度調(diào)制控制器已有大量現(xiàn)貨供應(yīng)。) 這個(gè)混合布局最適合高功率的系統(tǒng)采用。此外，這個(gè)布局也適用于高效率及高性能的系統(tǒng)，由于采用這個(gè)布局 會(huì)令效率及性能有所提升，因此即使成本較高也是值得的。

圖 1適用于網(wǎng)絡(luò)電話 (VoIP) 應(yīng)用方案的推拉式轉(zhuǎn)換器

數(shù)字用戶線路 (DSL)

數(shù)字用戶線路 (DSL) 的應(yīng)用方案可以采用以 -48 伏供電提供多個(gè)電壓輸出的轉(zhuǎn)換器。這個(gè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)含一個(gè)設(shè)計(jì)更復(fù)雜、功率更低的多輸出變壓器 (50-100W)。這種 DSL 電源供應(yīng)系統(tǒng)可以為高壓模擬線路驅(qū)動(dòng)器及放大器提供供電 (典型電壓為 +/-12 伏)，也可為特殊應(yīng)用集成電路提供多個(gè)低壓供電 (+5 伏、+3.3 伏、+1.8 伏及 +1.5 伏)。設(shè)有多輸出 DSL 轉(zhuǎn)換器的電源供應(yīng)系統(tǒng)必須采用高性能的布局設(shè)計(jì)，例如可以支持高轉(zhuǎn)換效率以及具備卓越的負(fù)載與線路穩(wěn)壓能力，而且必須設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、以及外型小巧纖薄。

我們只要選用合適的布局設(shè)計(jì)及控制電路，便可確保 DSL 電源供應(yīng)系統(tǒng)的性能達(dá)到我們的要求。DSL 電源供應(yīng)系統(tǒng)所采用的布局若能獲得具備嶄新功能的新一代控制器芯片的支持，將有助減少所需元件的數(shù)目，以及節(jié)省電路板的板面空間，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步精簡(jiǎn)。小型電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)一般都會(huì)采用印刷電路板 (平面) 變壓器、輸出電感器及表面貼著輸入與輸出電容器。

多輸出電源供應(yīng)器一般都需要裝設(shè)一個(gè)多輸出回掃轉(zhuǎn)換器。雖然這樣的布局最簡(jiǎn)單，但除了受控制的輸出之外，所有輸出都無法獲得較好的負(fù)載穩(wěn)壓。回掃轉(zhuǎn)換器的效率也不太理想，因?yàn)榈碗妷狠敵龅墓β氏淖畲?，但將低電壓輸出加以同步整流則需要另外加設(shè)一些特殊應(yīng)用集成電路，而市場(chǎng)上很少有這類特殊應(yīng)用集成電路，因此回掃轉(zhuǎn)換器的效率不易提升。

圖 2 顯示的電源供應(yīng)器結(jié)構(gòu)適用于 DSL 應(yīng)用方案，是一個(gè)性能比較理想的結(jié)構(gòu)。其中采用的推拉式轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將 48 伏電壓轉(zhuǎn)為 +/-12 伏電壓，以及將電源隔離。同步降壓轉(zhuǎn)換器利用 +12 伏供電干線提供的供電產(chǎn)生多個(gè)低電壓輸出這個(gè)推拉式中間總線設(shè)計(jì)可以充分利用具成本效益的電源管理芯片如 LM5030 推拉式控制器及 LM5642 雙通道電流模式同步降壓控制器。LM5642 是一款高性能的芯片，每一條通道只需兩枚場(chǎng)效應(yīng)晶體管、一個(gè)輸出電感器、一個(gè)輸出電容器以及若干個(gè)電阻與電容器。

圖 2適用于多輸出系統(tǒng)的推拉式轉(zhuǎn)換器及同步降壓控制器

第三代 (3G) 基站

第三代的基站需要采用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，以便在正常情況下以及電流中斷時(shí)可以提供 +27 伏的配電總線電壓。其中的一個(gè)高電壓轉(zhuǎn)換器直接從交流電電源獲得供電，并在正常操作情況下利用所得的供電為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。另一個(gè)轉(zhuǎn)換器則在交流電電源中斷后利用 -48 伏的備用電池繼續(xù)操作。無論在設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性來說，這個(gè) -48 伏的備用電池與上文提及的單輸出、高功率網(wǎng)絡(luò)電話轉(zhuǎn)換器都大致相同。已校正功率因素 (PFC) 的交流/直流轉(zhuǎn)換器除了為第三代基站的射頻功率放大器提供 2.7 伏的典型供電電壓之外，也為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器提供總線供電電壓。

圖 3 所示的電源供應(yīng)系統(tǒng)布局采用單轉(zhuǎn)換級(jí)直流/直流轉(zhuǎn)換器，以便交錯(cuò)使用主要的直流/交流轉(zhuǎn)換器及備用電池轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)無需另外裝設(shè)一個(gè) 400 伏至 48 伏的直流/直流轉(zhuǎn)換器級(jí)。這樣的設(shè)計(jì)有助節(jié)省成本，而同時(shí)又能提高系統(tǒng)的整體效率。

這個(gè)設(shè)計(jì)利用內(nèi)含兩枚場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正向轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 27 伏的直流總線供電電壓。這個(gè)正向轉(zhuǎn)換器設(shè)有兩個(gè)位于上層的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，每一晶體管都與初級(jí)線圈連接一起，而變壓器的線圈匝數(shù)有適當(dāng)?shù)臄?shù)目。每當(dāng)交流電的供電電壓處于正確的范圍內(nèi)，輸入電壓傳感邏輯電路便會(huì)啟動(dòng)位于頂層并連接 400 伏總線的 Q2 場(chǎng)效應(yīng)晶體 管。若交流電電源中斷，位于頂層的 Q3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以便利用備用電池為轉(zhuǎn)換器提供供電。獲備用電池提供供電的配電總線為主電源傳送器及 3.3 伏的"磚"轉(zhuǎn)換器提供 27 伏的供電，然后再由這個(gè) 3.3 伏的"磚"轉(zhuǎn)換器將供電傳送予負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器。

圖 3：第三代基站射頻功率放大器的電源供應(yīng)電路圖

總結(jié)

目前市場(chǎng)上有多種專為電信結(jié)構(gòu)設(shè)備而設(shè)的電源供應(yīng)系統(tǒng)可供選擇，以上介紹的三個(gè)方案可以刺激電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的思考，鼓勵(lì)他們進(jìn)一步分析不同的配電結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換器布局。DSL、網(wǎng)絡(luò)電話及第三代基站都各自采用獨(dú)特的解決方案，顯示市場(chǎng)上有各種不同的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可供選擇。各廠商可充分利用這些技術(shù)開發(fā)高度集成的系統(tǒng)。每一個(gè)應(yīng)用方案都可以盡量在輸入電壓范圍、輸出數(shù)目、供電要求、成本、性能以及體積等方面突出自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以便為市場(chǎng)提供更多選擇。

半導(dǎo)體廠商正紛紛推出各種高度集成的控制器，以削減電源管理模塊的成本，以及精簡(jiǎn)嵌入式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，系統(tǒng)成本不斷有下調(diào)的壓力，令廠商不得不致力開發(fā)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，而這個(gè)不斷追求創(chuàng)新的過程便促進(jìn)電源系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)不斷飛躍發(fā)展。