基于AOZ1050/AOZ1051的GPON系统的电源设计 小伙伴, 研讨会, 电源, 展台

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随着网络技术的不断发展，对网络带宽的要求也随之提高。光纤传输也逐渐取代电缆传输被普及使用，那么GPON Gigabit-Capable PON 技术作为最新一代宽带无源光综合接入标准，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。


目前，GPON系统的供电电源一般采用Buck降压型拓扑结构。AOZ1050/AOZ1051就是AOS公司的电源芯片中两款被广泛应用在GPON系统的典型的降压型电源芯片。


AOZ1050/AOZ1051是集成度较高的同步整流电流型Buck芯片，芯片内部集成两个低Rdson的整流和续流功率MOSFET管，芯片的最高工作效率可达95%。由于芯片具有较高的工作频率500KHz，这样就会减小对外围电感的尺寸要求；另外高的工作频率可以减小输出的电压纹波，所以输出电容的容值和尺寸也可以适当的减小。这样在排列相对密集的系统板上，很大程度的节省了空间，也可以减少成本。



AOZ1050/AOZ1051的环路补偿引脚外置，这样就可以根据不同的应用条件灵活的调节系统的稳定性和带宽。AOZ1050/AOZ1051的反馈脚的电压是0.8V，对于不同输出电压可以基于0.8V选择合适阻值的分压电阻获得。同时AOZ1050/AOZ1051有软启动的功能，可以通过改变外置的软起动电容来实现合适的输出电压启动时间，软起动功能还可以抑制电源启动时输入的冲击电流。芯片的使能端EN是高有效，可以灵活有效的控制电源芯片的开和关，系统的可控性更强。


AOZ1050/AOZ1051还有着短路保护和过温度保护的功能，可以使系统工作更加安全可靠，图1是应用的示意图。

图1：AOZ1050/AOZ1051 应用示意图

AOZ1050与AOZ1051的区别在于AOZ1050的最大持续供电电流是2A而AOZ1051是3A，使用者可以根据不同的系统要求来选择合适的电源芯片。下面以AOZ1051为例，讨论AOZ1051在基于主芯片BCM68XX的GPON系统上的应用。




在GPON系统主芯片的供电应用中，输入电压为12V，输出电压为1.2V、1.8V、2.5V、3.3V和5V。1.2V和3.3V电压由两颗AOZ1051提供，5V为USB口供电由一颗AOZ1050提供。其它输出电压由3.3V通过PNP三极管提供。其中1.2V、2.5V和3.3V启动时序的要求如图2所示。

图2：
输出电压上电时序示意图

输出电压上电的时序参数:
t1为3.3V有效到2.5V有效，最小值-1ms，最大值1ms。t2为2.5V有效到1.2V有效，最小值0ms，最大值1ms。t3为3.3V斜坡时间，最大值3ms。


由于对AOZ1051启动时序有着严格要求，那么可以通过改变软起动电容来满足启动时序要求。首先对AOZ1050/AOZ1051的软起动功能的实现做一下介绍。


软起动的目的是当输入电压启动时，使输出电压更加平滑单调；另外，减少输入的冲击电流。如果没有软起动功能，由于反馈误差放大器的基准远远早于输出电压建立，那么放大器的输出电压COMP电压达到最高值。这时电源的占空比达到最大值，输出电压迅速上升。这会造成输出电压有很大的过冲电压，损坏电感；另外，由于电源的占空比达到最大值，芯片工作在PWM所决定的最大电流值，大的电流应力会造成芯片发热损坏。软起动的功能都是通过控制启动时的占空比，使占空比逐渐增大来实现的。所以，选择合适的软起动电容，可以有效的调整和控制输出电压的上电时间。


在输出分压电阻上加入前馈电容也可以实现软起动的作用控制输出电压的上电时间。工作原理如下：加上此大电容后，在起动过程中电容瞬态的短路，也就是R1短路，这样输出电压没有经过R1和R2分压直接加到放大器的输入端，放大器输出电压COMP电压就较低，因此实现软起动。在输出过载或短路保护后，系统重启时，R1可以对Cs放电，也可以提供软起动。值得注意的是，前馈电容Cs 会与R1和R2形成一个零点和极点，这将影响系统反馈环。

软起动时间为：

ts=Cs*R1*(Vo-VFB)/VFB

所以加入合适的前馈电容，对输出电压的上电时间也有很好的调节作用。根据时序要求，选择AOZ1051的外围参数，Css=10nF，C1=10uF和
C2=100uF。

表格1：AOZ1051外围器件

Vo	Cc	R1	R2	Rc	L1
3.3V	6.8nF	31.6K	10K	20K	6.8uH
1.2V	6.8nF	4.99K	10K	10K	4.7uH

基于表格1中的AOZ1051的外围参数进行实际测试，实际测试波形见图3所示。

图3：AOZ1051上电时序测试波形

上电时序实际测试结果：t1=-0.3ms，t2=0.7ms和t3=1.8ms，表格2中AOZ1051的外围参数的选择可以满足基于主芯片BCM68XX的GPON系统的上电时序要求。




根据表格1中的参数进行环路稳定性测试，实际测试结果见图4和
图5所示。测试结果证明，系统稳定性和动态响应满足要求。

图4：1.2V输出波特图

图5：3.3V 输出波特图

图6：最小导通时间的电感电流

图7：打嗝模式的电感电流

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在实际工作中，可能会有各种异常状况出现。这些异常情况可能会导致过载甚至短路，这就需要电源芯片具有安全有效的保护功能防止系统和芯片自身的损坏。

AOZ1051的输出过载和短路保护功能是通过控制COMP电压来实现的，如果输出过载或者短路，那么误差放大器的输出COMP电压将会上升，当COMP电压达到2V时，芯片内的整流管被关断，同时软起动电容开始放电的，当软起动电容的电压为0时芯片复位结束，重新起动，如果此时输出仍处于短路或过载状态，那么AOZ1051重复上述动作。

这种保护方式被称作打嗝保护模式，可以防止系统在高电压输入，低电压大电流输出时，由于电感电流无法复位而造成的饱和，损坏芯片。

在高压输入低压输出的工作条件下，由于占空比很小，上管导通时间很短。当上管整流管所需的导通时间被芯片本身允许的最小导通时间限制时即实际的占空比大于系统正常工作所需的占空比，电感的伏秒平衡被打破，电感电流无法复位。另外，由于芯片的最小导通时间与芯片过流保护的延迟时间相当。所以，此时普通的cycle by cycle模式的过流保护已经无法有效对电流进行限制，见图6，这就导致电感电流逐周期递增，最终使电感饱和，损坏芯片。
图6中，
t1：整流管实际所需的导通时间
t2：芯片的最小导通限制时间
IL：电感电流
Vgs： 整流管驱动电压

AOZ1051的打嗝模式的过载保护电路是利用环路中电感电流对COMP电压的影响，安全有效的关断芯片，即当电感电流增加时，COMP电压随之增加，当COMP电压到达2V时，芯片的整流管和续流管全部关断，芯片复位。经过一段时间软起动电容放电时间后AOZ1051重新启动。这样可以确保电感电流复位完成，实现安全可靠的过流保护。

图7中，
t1：整流管实际所需的导通时间
t2：芯片的最小导通限制时间
t3：软起动电容的放电时间
IL：电感电流
Vgs：整流管驱动电压

AOZ1050/AOZ1051的软起动功能可以灵活有效的调整起动时间，而且使起动电压更加平滑。环路补偿引脚COMP外置可以使芯片稳定的工作在不同的应用条件下。另外AOZ1050/AOZ1051的打嗝模式的过流保护功能可以保证系统工作更加安全可靠。目前，基于AOZ1050/AOZ1051的GPON系统电源方案已经被很多客户认可和采纳，并大量应用于GPON产品中。