源设计小贴士27：针对电信系统的电源 电信, 小贴士, 电源, 集成电路

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源设计小贴士27：针对电信系统的电源管理解决方案——提高性能、减低成本，减小尺寸

随着带宽的不断增加，有线和无线基础电信系统中的放松管制和竞争推动了对于低成本设备解决方案的需求。电信设备电源管理要求中需要应对的挑战不断增加，这就愈加要求设计人员能够为各种数字信号处理器 (DSP)、现场可编程门阵列 (FPGA)、专用集成电路 (ASIC) 和微处理器提供更多的电压轨。简而言之，就是要求电源管理解决方案能够在更小的空间内，更高效地生成更多不同的电压和更大的电流，并降低噪声。另外，如果说这些要求还不够具有挑战性的话，那么这种解决方案还必须要实现低成本，这恐怕就颇具挑战性了！

更加靠近用户地部署接入设备要求更小的附件（衬垫和安装孔），其必须能够经受得住较为恶劣的环境考验。由于局端的空间非常小，因此基础设施设备将被设计为更加小型化。推动电源管理产品发展的因素是外形尺寸、散热管理、成本，以及电气性能（稳压、瞬态响应以及噪声产生）。本文将让您对板上电源系统的发展以及最新一代解决方案如何以更小的封装实现更高的性能和更低的成本等方面有一个基本的了解。

外形尺寸/效率/成本
同时解决外形尺寸、效率和成本问题的需要，再一次激发了人们对电源架构的兴趣。第一代板上电源使用的电源架构被称为分布式电源架构 (DPA)（请参见图 1）。这种架构每个电压轨均使用了一个隔离式（砖形）电源模块，因此其在电源轨非常有限的情况下能够很好地工作，但是每增加一个电压轨，成本和 PCB 空间都会随之大大增加。电压轨的排序也同样非常困难，而且还要求增加外部电路，从而会增加成本和板级空间占用。

图 1 典型的 DPA 架构

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为了解决 DPA 在尺寸和成本方面的局限性，第二代板上电源系统转而采用固定电压中间总线架构 (IBA)（请参见图 2）。IBA 采用了单个隔离式砖形电源模块和许多非隔离式负载点（POL）DC/DC 转换器。POL 可以是一些电源模块（例如：TI的 PTH 系列），也可以是一些分立降压转换器。隔离式转换器工作在与第一代板上电源系统相同的输入电压范围上，即 36V～75V 或 18V～36V。该降压转换器会创建一个 IBA 电源，并将电压稳压固定在3.3V、5V 和 12V。如何选择电压取决于系统设计人员。凭借 TI 的 Auto-Track? 等特性，这种设计可减少板级空间的占用，降低成本，简化电压排序。这种架构唯一的缺点在于效率较低，这是因为每个电压都需要进行双转换。



图 2 固定电压 IBA





当今，大多数电信系统都使用固定电压 IBA。但是，由于接入设备设计采用了密封封装 (sealed enclosure)，不再需要强制风冷，我们就需要一款效率更高、占用面积更小的解决方案了。正如每一个设计人员都了解的那样，系统散热的最佳方法就是避免热量的产生。由于所有电能都要通过前端隔离式转换器，因此在考虑提高效率时，前端隔离式转换器就是要重点讨论的问题。实践证明，提高隔离式转换器效率的方法是使其以固定占空比运行，并且不对输出电压进行稳压操作，这就是非稳压式中间总线架构（请参见图 3）。


图 3 非稳压式 IBA





这种架构使用一个非稳压总线转换器，其会产生一个与输入电压成一定比例的输出电压。在本例中，ALD17 5：1 转换器生成了一个输出电压，该电压为输入电压的 1/5。这种技术允许一个 150W 系统/电路板实现 1/16 的砖形设计，从而在第一个转换阶段实现 96% 的效率。有了宽泛输入电压范围(4.5～14V)的 PWM以及 TI 的 T2 产品等电源模块，就能采用这种非稳压式电压架构。这种架构的局限性在于总线转换器的最大输入电压范围是 36～55V，以确保 POL 的输入电压小于 12V。之所以最大不能超过 12V，是因为 POL 要生成不高于 1V 的输出电压，输入电压不能超过输出电压的 10～12 倍。但是，越来越多的电信原始设备制造商 (OEM)都在考虑转而采用这种输入范围，以通过这种架构来节约成本、缩小尺寸并提高效率。



一些电信 OEM 厂商坚持使用传统的 36V～75V 的宽输入电压规范，输入瞬态电压为 100V。为了满足这些要求，电源行业推出了半稳压 IBA（请参见图 4）。该半稳压 IBA 和非稳压式 IBA 之间的主要区别是，如果输入电压超过了 55V～60V 的范围，那么该半稳压 IBA 就将输出电压稳压至 10V 左右。这种方法的缺点是，隔离式电源模块必须增加尺寸来容纳稳压电路，同时当输入电压超过 55V 时其效率会降低。TI 的 PTQB 系列就是这类产品的一个例子。



图 4 半稳压 IBA





架构比较

为了提供有意义的对比，图 2、3 和 4 中的每一个例子都采用了相同的输出电压和电流要求。这些例子均基于使用多个高性能 DSP 的理论基站，并配套使用了模拟和数字电路。在 5A 时该输出电压为 3.3V，6.5A 时为 2.5V，11A 时为 1.8V，20A 时为 1.2V。图 5 对之前所述的架构进行了比较。从图 5 可以看出，确实有可能实现终极目标。半稳压或非稳压电源系统不仅实现了更高的效率，而且还节约了板级空间与系统成本。与第二代固定电压 IBA 相比，半稳压/非稳压 IBA最为显著的改进是效率。如图 5 所示，电源转换效率提高了大约 7%。对于一个 200W 的系统而言，这就相当于将热负载降低了 14W。



图 5 架构的比较





在这些例子中之所以均使用了电源模块，是因为它们可提供最大的功率密度，并且是许多电信 OEM 厂商的首选解决方案。所有系统中均可以使用分立 POL 来降低成本，但是板级空间将会增加一倍。



电气性能

设计人员接下来需要应对的挑战是，满足所有系统内核中不断增加的高性能 DSP 和 ASIC 电气性能要求。主要性能问题包括电压稳压、电流瞬态响应和噪声。



稳压和电流瞬态响应密切相关。为了在解决方案尺寸越来越小且功耗越来越低的情况下获得更高的性能，要使用所需的电压也不断降低的更小的晶体管来制造数字半导体。现在低于 1V 的内核电压要求将成为标准的电压要求。除了低压以外，对电压容差的要求也越来越高。目前常用的标准是：线路（输入电压变化）、负载（负载电流微小变化）、时间、温度和电流瞬变等造成的总电压容差不超过 3%。这样，电源设计人员就只有 30mV 的电压空间来满足所有的数字系统要求。线路、 负载、时间和温度等 DC 参数还要占用大约一半 (15mV) 的容差预算。剩余的 15mV 则用来处理计算或数据传输负载带来的突发电流变化（1～3 个时钟周期）。



容差预算对那些想在出现电流瞬态条件下最小化电压偏离的电源系统设计人员提出了挑战。如果内核电压 (VCC) 超出规定容差极限，那么数字 IC 可能会开始重设，否则就会产生逻辑错误。为了防止这一情况的发生，设计人员需要特别注意所使用的 POL 模块的瞬态性能。数字负载（例如：最新的千兆赫 DSP）要求极快速的瞬态响应和极低电压偏离。为了达到这些目标，许多附加的输出电容器通常会被添加到 DC/DC 转换器中，以提供直到其反馈环路能够响应的保持时间。这种电源模块（包括为了满足瞬态电压容差而添加的电容）形成了这一完整的电源解决方案。



多年来，电容技术不断发展，容积效率不断提高。即便使用更高的容积效率，整个电源解决方案也会超过单个电源模块体积的两倍。这就要求占用 PCB 较大的空间，而在今天更为小型化的系统中通常不能提供这样大的空间。另外，在计入电容器成本的情况下，电源材料的成本甚至可能比电源模块成本的一倍还高。



随着 DC/DC 电源模块技术的不断创新，系统设计人员现在可以在使用更少输出电容的同时获得更快的瞬态响应、更小的电压偏离。TI 推出的 T2 系列下一代 PTH 模块（请参见图 6）便是一个典型的例子。这些器件集成了一种被称为 TurboTrans? 的新型专利技术，其允许对模块进行自定义调谐以满足特定的瞬态负载要求。只需使用一个单独的外部电阻器即可完成调谐。



图 6 具有 TurboTrans? 特性的 T2 系列电源模块



TurboTrans 可以使输出电容降为原来的 8/1，从而降低了电容的成本并节约了 PCB 空间。这种技术的另一个好处是，使用具有超低等效串联电阻 (ESR) 的电容可提供增强的模块电路稳定性。这些更新型的 Oscon、聚合物钽电容和陶瓷输出电容都具有一个额外的好处，即不但能够经受高温、而且采用无铅焊接工艺。



影响隔离式和 POL 转换器性能的决定性因素是噪声。交换 POL 运行在不同频率上并共享一个共有输入总线时，由此产生的不同频率及其差异会造成拍频问题，对 EMI 滤波造成困难。由这些频率的和差分所产生的频率可以产生拍频，其使EMI过滤变得困难。



举例而言，如果一个系统拥有两个 POL，其中一个运行在 300kHz 下，而另一个运行在 301 kHz 下，那么其拍频就是 1 kHz。这就要求具有更大、更复杂的系统滤波器。TI 推出的 T2 电源模块拥有一个 SmartSync 特性，该特性使设计人员能够将多个 T2 模块的开关频率与特定频率同步，从而消除拍频，并使 EMI 滤波更加轻松。SmartSync 可以用来设定频率，以使开关噪声在一个特别频率带（即 xDSL 传输频率）中被最小化。TurboTrans 和 SmartSync 是 T2 电源模块上的标准特性，其并不会额外增加前面所述的系统的成本。



利用业界一流的电源模块构建的电信系统让系统将有助于系统设计人员缩小系统尺寸、降低功耗、满足高性能数字电路的电源要求，同时相比稳压电压 IBA 系统还可以降低电源成本。