面向電信系統的電源管理設計

　　為了提供有意義的對比，圖2、3和4中的每一個(gè)例子都采用了相同的輸出電壓和電流要求。這些例子均基于使用多個(gè)高性能DSP的理論基站，并配套使用了模擬和數字電路。在5A時(shí)該輸出電壓為3.3V，6.5A時(shí)為2.5V，11A時(shí)為1.8V，20A時(shí)為1.2V。圖5對之前所述的架構進(jìn)行了比較。從圖5可以看出，確實(shí)有可能實(shí)現終極目標。半穩壓或非穩壓電源系統不僅實(shí)現了更高的效率，而且還節約了板級空間與系統成本。與第二代固定電壓IBA相比，半穩壓/非穩壓IBA最為顯著(zhù)的改進(jìn)是效率。如圖5所示，電源轉換效率提高了大約7%。對于一個(gè)200W的系統而言，這就相當于將熱負載降低了14W。

　　在這些例子中之所以均使用了電源模塊，是因為它們可提供最大的功率密度，并且是許多電信OEM廠(chǎng)商的首選解決方案。所有系統中均可以使用分立POL來(lái)降低成本，但是板級空間將會(huì )增加一倍。

　　電氣性能

　　設計人員接下來(lái)需要應對的挑戰是，滿(mǎn)足所有系統內核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問(wèn)題包括電壓穩壓、電流瞬態(tài)響應和噪聲。

　　穩壓和電流瞬態(tài)響應密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來(lái)越小且功耗越來(lái)越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需的電壓也不斷降低的更小的晶體管來(lái)制造數字半導體?，F在低于1V的內核電壓要求將成為標準的電壓要求。除了低壓以外，對電壓容差的要求也越來(lái)越高。目前常用的標準是：線(xiàn)路(輸入電壓變化)、負載(負載電流微小變化)、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過(guò)3%。這樣，電源設計人員就只有30mV的電壓空間來(lái)滿(mǎn)足所有的數字系統要求。線(xiàn)路、負載、時(shí)間和溫度等DC參數還要占用大約一半(15mV)的容差預算。剩余的15mV則用來(lái)處理計算或數據傳輸負載帶來(lái)的突發(fā)電流變化(1～3個(gè)時(shí)鐘周期)。

　　容差預算對那些想在出現電流瞬態(tài)條件下最小化電壓偏離的電源系統設計人員提出了挑戰。如果內核電壓(VCC)超出規定容差極限，那么數字IC可能會(huì )開(kāi)始復位，否則就會(huì )產(chǎn)生邏輯錯誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設計人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數字負載(例如：最新的千兆赫DSP)要求極快速的瞬態(tài)響應和極低電壓偏離。為了達到這些目標，許多附加的輸出電容器通常會(huì )被添加到DC/DC轉換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應的保持時(shí)間。這種電源模塊(包括為了滿(mǎn)足瞬態(tài)電壓容差而添加的電容)形成了這一完整的電源解決方案。

　　多年來(lái)，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高。即便使用更高的容積效率，整個(gè)電源解決方案也會(huì )超過(guò)單個(gè)電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間，而在今天更為小型化的系統中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計入電容器成本的情況下，電源材料的成本甚至可能比電源模塊成本的一倍還高。

　　隨著(zhù)DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng )新，系統設計人員現在可以在使用更少輸出電容的同時(shí)獲得更快的瞬態(tài)響應、更小的電壓偏離。TI推出的T2系列下一代 PTH模塊(請參見(jiàn)圖6)便是一個(gè)典型的例子。這些器件集成了一種被稱(chēng)為T(mén)urboTrans的新型專(zhuān)利技術(shù)，其允許對模塊進(jìn)行自定義調諧以滿(mǎn)足特定的瞬態(tài)負載要求。只需使用一個(gè)單獨的外部電阻器即可完成調諧。

　　TurboTrans可以使輸出電容降為原來(lái)的8/1，從而降低了電容的成本并節約了PCB空間。這種技術(shù)的另一個(gè)好處是，使用具有超低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器可提供增強的模塊電路穩定性。這些更新型的Oscon、聚合物鉭電容和陶瓷輸出電容都具有一個(gè)額外的好處，即不但能夠經(jīng)受高溫、而且采用無(wú)鉛焊接工藝。

　　影響隔離式和POL轉換器性能的決定性因素是噪聲。開(kāi)關(guān)式POL運行在不同頻率上并共享一個(gè)共有輸入總線(xiàn)時(shí)，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會(huì )造成拍頻問(wèn)題，對EMI濾波造成困難。由這些頻率的和差分所產(chǎn)生的頻率可以產(chǎn)生拍頻，其使EMI過(guò)濾變得困難。

　　舉例而言，如果一個(gè)系統擁有兩個(gè)POL，其中一個(gè)運行在300kHz下，而另一個(gè)運行在301kHz 下，那么其拍頻就是1kHz。這就要求具有更大、更復雜的系統濾波器。TI推出的T2電源模塊擁有一個(gè)SmartSync特性，該特性使設計人員能夠將多個(gè)T2模塊的開(kāi)關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使EMI濾波更加輕松。SmartSync可以用來(lái)設定頻率，以使開(kāi)關(guān)噪聲在一個(gè)特別頻率帶(即xDSL傳輸頻率)中被最小化。TurboTrans和SmartSync是T2電源模塊上的標準特性，其并不會(huì )額外增加前面所述的系統的成本。

　　利用業(yè)界一流的電源模塊構建的電信系統讓系統將有助于系統設計人員縮小系統尺寸、降低功耗、滿(mǎn)足高性能數字電路的電源要求，同時(shí)相比穩壓電壓 IBA 系統還可以降低電源成本。