采用負載點(diǎn)調節提高機頂盒設計的性能

有線(xiàn)電視和衛星廣播內容提供商正在不斷向激烈競爭的市場(chǎng)推出新業(yè)務(wù)。這些新業(yè)務(wù)包括互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻點(diǎn)播、支持 DVD/CD 播放器和硬盤(pán)驅動(dòng)器等，這正在使簡(jiǎn)單的機頂盒(STB)逐步發(fā)展成為功能強大的家庭網(wǎng)關(guān)。這些先進(jìn)的機頂盒在家中形成了一個(gè)局域網(wǎng)(LAN)。因此，機頂盒一般有以太網(wǎng)或 火線(xiàn)端口，或采用其它通信方式，甚至可能是藍牙。這些更加復雜的機頂盒反過(guò)來(lái)又需要消耗更多功率。隨著(zhù)這些系統消耗功率的提高，系統設計師對于溫度上升、產(chǎn)品上市時(shí)間、效率、監管機構批準、成本、上電順序和功率因數校正(PFC)等問(wèn)題也越來(lái)越擔憂(yōu)了。

　　消除這些擔憂(yōu)的一種方法是將電源架構從傳統的多路輸出反激式電源改為較高性能、更加靈活并具有負載點(diǎn)(POL)穩壓器的分布式電源架構。目前大多數機頂盒采用離線(xiàn)式多路輸出反激式電源架構。這些電源提供 30W 功率，轉換效率最高為 65%。先進(jìn)的機頂盒電源采用單一分布式直流電壓(如12V)提供高達 65W 功率，并采用下游負載點(diǎn)穩壓器，整體轉換效率高達 80%。

　　內容提供商提供的服務(wù)決定了機頂盒的特點(diǎn)，如處理器功耗、調制解調器速度、傳輸介質(zhì)、是否包括 DVD 播放器或硬盤(pán)驅動(dòng)器以及 I/O 端口數量。機頂盒的標準架構是基于外部設備計算機接口(PCI)總線(xiàn)，從表面看與筆記本式 PC 類(lèi)似。不過(guò)，盡管 PC 架構全世界相同，但是不同地區甚至不同制造商的機頂盒架構變化卻很大。當然，由于消費者的需求容易改變，因此隨著(zhù)服務(wù)的不斷變化，機頂盒配置也在不斷變化之中。功能決定對電源的要求，而且唯一明顯的趨勢是系統功耗在提高。服務(wù)提供商之間的競爭和地區差別意味著(zhù)，讓機頂盒按時(shí)上市有相當大的壓力。由于電源設計導致延遲交貨是無(wú)法容忍的，因為這可能丟失市場(chǎng)份額。

　　機頂盒電源要求在設計周期后期發(fā)生變化是常見(jiàn)的。然而，最不希望發(fā)生的事情就是由于電源而推遲機頂盒的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，但是如果需要采用離線(xiàn)式多路輸出反激式電源，就有可能發(fā)生這種情況。設計這樣一個(gè)電源并在安全性和 EMI 性能方面獲得監管當局批準可能需要 6 到 9 個(gè)月時(shí)間，甚至長(cháng)達一年。采用多路輸出反激式設計，后期變化可能導致必須長(cháng)時(shí)間反復設計磁性元件。因此，在某些情況下，絕望的設計師會(huì )增加二極管壓降，以適應最后出現的輸出電壓或電流需求的變化。

　　標準現售交流輸入(90V 至 26?V 交流)單輸出電源的優(yōu)點(diǎn)是采用安全部門(mén)和 EMI 監管當局批準的電源。這些電源用 3.3V 至 48V 的單一輸出電壓實(shí)現高達 90% 的電源轉換效率。另外，標準現售單輸出電源價(jià)格不貴，提供幾種尺寸，大批量生產(chǎn)，適合很多應用。使用這種電源可以將開(kāi)發(fā)周期縮短 6 個(gè)月。即使功率最大值提高也沒(méi)關(guān)系，因為考慮到可能需要更高功率，設計師從開(kāi)始伊始就可以計劃出 20% 至 30% 的冗余量，這不會(huì )提高很多成本或占用很多電路板面積。

圖1：在 7V至24V電源范圍內工作的雙路 3.3V/2.5V輸出LTC3850應用原理圖。

　　功率因數校正是影響機頂盒電源的另一個(gè)問(wèn)題。IEC/EN61000-3-2 規范對輸入功率大于等于75W的供電系統有諧波電流幅射的限制。實(shí)際上，輸入功率超過(guò) 75W 時(shí)，這個(gè)規范要求額外的電路。效率為 65% 的多路輸出反激式電源可在不需要額外功率因數校正電路時(shí)提供 49W 的最大輸出功率。效率達 90%的分布式電源與效率為 90% 至 95% 的下游負載點(diǎn)穩壓器結合起來(lái)無(wú)需功率因數校正電路就可提供 60W 至 6?W 功率。較高效率的明顯好處是減少熱量、減少通風(fēng)要求并延長(cháng)平均故障間隔(MTBF)時(shí)間。

　　凌力爾特公司提供了完整的高效率同步負載點(diǎn) DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器系列產(chǎn)品，包括模塊、單片電路和控制器。LTC3850是最近推出的雙輸出負載點(diǎn) DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器控制器，能以 95% 的效率將 12V 轉換成 5V/5A，或以 92% 的效率將 12V 轉換成 3.3V/5A以及以 91% 的效率將 12V 轉換成 2.5V/5A。

　　LTC3850 是一個(gè)雙路輸出同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器控制器，可以驅動(dòng) 所有N 溝道功率MOSFET 級電路。其 4V 至 24V 的輸入范圍適用于多種應用，其中包括大多數中間總線(xiàn)電壓應用。強大的片上驅動(dòng)器允許使用大功率外部 N 溝道 MOSFET，可以輸出0.8V 至 5.5V的電壓，同時(shí)提供高達 20A 的輸出電流。

雙路輸出、具有DCR檢測功能的5A穩壓器

圖 1所示是一種基于 LTC3850 的電路，該電路在 7V 至 24V 的輸入范圍內工作，開(kāi)關(guān)頻率為 530kHz，無(wú)需電流檢測電阻，提供 2.5V/5A 和 3.3V/5A 的獨立輸出。通過(guò)將電感器的直流電阻用作電流檢測單元，該應用電路在滿(mǎn)負載電流時(shí)消耗可能最低的功率。效率高于 90%，效率曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2：圖1電路的效率曲線(xiàn)。