节省基站功耗的低压差(0V)稳压器 稳压器

我是MT

[导读] 电信基站等设备需要多路供电电源，以满足不同的输出电压、输出电流要求。机房的主电源通常先被转换为+48V或-48V直流电源，然后根据需要传送到各个系统设备，最后再转换成较低等级
关键词：基站功耗低压差稳压器

　　电信基站等设备需要多路供电电源，以满足不同的输出电压、输出电流要求。机房的主电源通常先被转换为+48V或-48V直流电源，然后根据需要传送到各个系统设备，最后再转换成较低等级的电源电压。
　　常见的设计方案是利用电源模块或现成的转换器(砖)将48VDC(或-48VDC)电源转换到一个较低的电源电压，然后再由电源模块或PCB板上电路将其转换为要求的各种电压。一个典型例子是，从48V输入转换到8.5V，通常这个8.5V与48V输入是电气隔离的。
　　将8.5V电源分别转换成用于RF功率放大器的7.5V(基站设备)和用于逻辑电路的5V、3.3/3V，或用于FPGA、处理器核的1.8V电压。考虑到系统所要求的供电电流和功耗指标，采用开关模式降压转换技术从8.5V产生较低的电源，而对于RF级的7.5V电源则大多采用 低压差线性稳压器(LDO)实现，以满足射频电路的低噪声要求。
　　线性稳压器会根据输出电压的要求调整输入与输出的压差，因而要消耗一定的功率(电流与输入/输出压差的乘积)，表现为调整管的热耗。为了提高散热能力，设计人员不得不折中考虑输入/输出压差、功率耗散、调整管选择等因素，以便在规定的负载电流和输入电压范围内可靠地工作在线性区(非饱和、截止)。在本文介绍的电路中，输入电源电压随着系统负载的变化量可能达到100mV，压差可能达到900mV，由此可见，8.5V的电源电压刚好满足要求。本例中标称压差1V刚好能够接受。
　　多数所谓的LDO其实际压差会高于1V，因此这些器件需要输入与输出之间保持更大的压差裕量。对于1V压差，调整管上的功耗为1V×10A=10W。如此大的功耗要求系统提供合理的热管理方案，并因此会增加小型散热器及相关材料成本和装配时间。如图1所示，采用6.8oC/W典型系数的散热器(比如Aavid Thermalloy公司的散热器)和TO-220封装的的温升将高出室温68oC左右(为简化起见，忽略RθJC降额系数及其它热阻的影响)。考虑到机架内部其它功率元件，其内部温度通常要高于外部环境温度，散热片甚至可能工作在100oC以上。为了保证系统可靠工作，这种情况下显然无法使用更小的散热片。


　　图1：典型的6.8oC/W散热器。
　　设计中需要低RDS 场效应管(FET)，以降低串联调整管的压降，从极性考虑要求使用P沟道器件。而具有相同架构的P沟道FET其导通电阻可能是N沟道FET导通电阻的两倍以上，另外，P沟道FET的价格也比较高。
　　为便于比较，我们可以考察一下国际整流器公司(IR)的P沟道管IRF9Z34N和N沟道管IRFZ34，二者的击穿电压均为55V。100oC时，P沟道器件的导通电阻为100mΩ，可承载12A电流;而N沟道器件的导通电阻仅为40mΩ，可承载电流为18A。P沟道器件的价格大约贵两倍。
　　提供10A峰值电流时，P沟道FET的导通压降是1V，而具有40mΩ RDSon的N沟道FET的导通压降为400mV。另一种选择是使用 PNP晶体管，但即使是这样，集电极与发射极之间的饱和压降也会达到200mV。还可以选择性能超过双极性技术的超低RDSon N沟道FET，但这种器件需要更高的栅极驱动电压。如果能够找到驱动超低RDSon N沟道FET的方法的话，上述问题将迎刃而解。
　　这也正是开关模式转换器所面临的一个设计挑战，为了驱动超低RDSon N沟道FET，可以采用电压自举技术：将一个动态开关电压通过二极管进行交流耦合，再对储能电容充电，就可得到高于输出电压的N沟道FET栅极驱动电压。如果电路板或电源模块内含有降压转换器，则可利用其开关信号产生线性稳压器所需的栅极驱动电压。
　　也就是说，我们可以将降压转换器的开关节点连接到简单的倍压电路。常见的倍压电路是半波系列乘法器，也称作维拉德(Villard)级联电路(图2)。幅度为±Us的交流电压作用到该电路可以获得4倍的输出，即输出端得到4Us。
　　开关电压相对于地电平的摆幅为Us时，该电路可产生4Us的输出，而降压转换器开关节点的摆幅大约为Vin至地电平。因此如果降压转换器的供电电压为8.5V，则其进入电感的开关电压为0V至+8.5V，得出Us=4.25V，如图2所示。


　　图2：(a) Villard级联倍压电路;(b) 倍压电路输入为+V，开关幅度为+V，产生2倍(+V)输出。
　　如果考虑转换器的占空比，则需作进一步的复杂计算，因为占空比与输入、输出电压比和负载有关，为便于讨论，我们假设占空比为50%，可以利用图2电路获得大约17V的电压。需要输出更高电压时，可以级联更多的倍压单元电路，一级倍压使用两个二极管和两个电容，可产生低电流直流输出(图2a)。
　　我们可以将上述电路产生的17V DC应用到一个简单的低电流线性稳压器(如MAX1616)，目的是为低RDSon N沟道FET提供栅极驱动。FET器件采用8.5V供电，输出7.5V为RF放大器供电，通过电位器分压反馈网络调节线性稳压器输出。该电路利用MAX5060评估板、MAX1616线性稳压器、N沟道功率MOSFET以及相关的其它元件进行了测试，简化原理图如图3所示，实际电路如图4所示。


　　

图3：零压差稳压电路框图。

　　电路工作原理
　　MAX5060EVKIT降压转换器可产生3.3V电压，输出电流达20A，开关频率约为270kHz，由12V输入产生3.3V输出。由于图4电路工作在轻载条件下，负载电流只有1A，作用在电感上的电压波形占空比为25%，摆幅介于地电平和12V之间。利用该开关电压驱动倍压电路，可以在线性稳压器(MAX1616)的输入端得到大约24V的直流电压。实际倍压输出为22.7V，能够为线性稳压器提供足够的驱动。线性稳压器的输出可驱动低RDSon N沟道FET(IRFZ24N)的栅极。
　　利用一个可调电源为场效应管供电，从而允许根据输入、输出电压的范围调节压降。FET的栅极由MAX1616 LDO的22V输出驱动，并在分压网络R1的电压达到1.24V之前始终将场效应管驱动在导通状态，随后关闭FET驱动器，使稳压器保持平衡。
　　电阻R2和电容C2通过抑制高速瞬态响应和噪声来控制环路的动态特性。电阻R2还可作为线性稳压器的自身负载吸收FET关闭时的电流。通过选择分压网络的电阻比设置输出电压值。在该应用中，R1选用250kΩ电位器，因此能让MAX1616的输出摆幅从1.25V上升到22V以上。
　　在不同输入电压、负载下观察FET栅极驱动电压的跌落测量压差，由此确定电路进入闭环控制的工作点。一旦栅极驱动跌落到MAX1616 LDO所能提供的22V以下，电路将进入稳压调整状态。测量调整管两端的输入、输出电压之差，可以确定电源电压、负载变化范围内的压降。
　　这种方法已经被证明是确定线性调整管压降的行之有效的途径，它从侧面反映了MOSFET的RDSon，图5以表格和图形的方式给出了对该电路的性能测试结果。
　　本文小结
　　图4所示电路提供了一个零压差稳压器(ZDO)，可利用N沟道、低RDSon FET实现，MOSFET的栅极通过倍压电路驱动。降低输出负载会减小输入、输出之间的压差，空载时达到零。大电流应用中，该电路能够降低稳压过程中的调整管损耗，进而降低对散热器及其他热管理技术的要求。


　　图4：零压差(ZDO)电路原理图。
　　基站系统的LDO要求1V的压差裕量，采用ZDO可大大降低这一裕量，对于需要10A输出电流的应用，可以选择具有极低RDSon的场效应管IRF1324，其RDSon低于1mΩ，利用该FET构建的ZDO理想情况下的压差为每安培1mV。
　　在本文提供的例子中，所使用的FET即使在最糟糕的工作条件下也能有效降低调整管的功耗，考虑到负载变化及其他因素的影响，只需100mV的压差裕量，再加上FET RDSon需要的10mV压差，可以将原来的8.5V中间电压降至7.61V。总压差为110mV，10A电流对应的功耗为1.1W，节省大约9W的功率。利用表面贴装器件可直接通过PCB的覆铜区域散热，因此可以很容易解决热管理问题。总之，使用IRF1324可省去散热器，降低成本，简化安装过程，并为系统节省9W的能耗。


　　图5：图4所示ZDO电路的测试结果。
　　ZDO还可用于电池供电系统，系统所能提供的压差裕量会随着电池的工作电压而发生显著变化，ZDO在这样的系统可有效延长电池的工作时间。

表1：零压差稳压器电路的主要性能。

　　备注
　　本电路只是原理电路，只在直流轻载下进行过测试。读者可以对其作进一步的开发，以优化动态负载响应及低输入/输出压差特性。