通信系統電源設計的挑戰、趨勢與應用實(shí)例

現在的通信系統電源面臨穩壓、散熱、輸入噪聲和成本等設計挑戰，而板上電源設計和多相方法可以解決通信系統中低電壓大電流電源的設計困難，滿(mǎn)足成本和電性能要求。

為了處理日益復雜的實(shí)時(shí)計算，今天的通信系統需要采用許多大功率計算集成電路，如CPU、FPGA和存儲器等。計算速度越來(lái)越高使得時(shí)鐘頻率和電源電流不斷提高，有些器件需要的電流已經(jīng)超過(guò)了100A。一方面電源電流在不斷增加，另一方面由于計算器件采用更為精細的線(xiàn)寬制造工藝，電源電壓則已下降到將近1V。低電壓大電流容易導致功率損耗，因此線(xiàn)性調節器已不適合用于這類(lèi)電源中，可以采用高性能開(kāi)關(guān)電源拓撲結構實(shí)現高效率電源設計。

存在的問(wèn)題

與當今很多系統一樣，通信系統電路板單位面積成本越來(lái)越高。尺寸約束再加上要求成本更低的壓力以及新技術(shù)難題，使得低電壓大電流電源成為通信系統中最為困難的設計任務(wù)之一。設計中主要面臨下面一些技術(shù)問(wèn)題：

◆ 穩壓

由于電源電壓下降到1V，供電線(xiàn)路中即使低至50mV的細微電壓波動(dòng)也有可能對計算器件性能造成干擾，因此必須進(jìn)行嚴格的直流穩壓。大電流輸出是電壓波動(dòng)的一個(gè)主要原因，如PCB線(xiàn)路上或電源輸出與CPU電源管腳之間連接器上的10～50mV電壓降。當輸出電壓在1V～1.5V范圍內時(shí)，這些電壓降的影響很?chē)乐?，故而需要在電壓輸出線(xiàn)(正線(xiàn))和電源回路線(xiàn)(負線(xiàn))上進(jìn)行遠程電壓檢測。

另一個(gè)問(wèn)題是在執行不同系統命令時(shí)，先進(jìn)計算器件的瞬時(shí)供電電流變化可達20A以上，如此大幅度負載跳變再加上很高的電流轉換速率會(huì )導致電源電壓下降或調節過(guò)度，所以電源必須具備極快的瞬態(tài)響應才能處理這類(lèi)動(dòng)態(tài)負載，并使輸出電容器件尺寸盡可能小。

◆ 散熱

由于封裝密度隨系統復雜度增加而增加，散熱成了系統硬件設計師必須面對的一項更加困難的挑戰，同時(shí)高性能計算器件對電壓調節的嚴格要求還需要電源位置與它盡量靠近。因此應將電源功耗降到最小并消除PCB和電源器件中的發(fā)熱部位，避免使已經(jīng)很熱的計算器件溫度再度增加，這一點(diǎn)是非常重要的。

◆ 輸入噪聲

隨著(zhù)3.3V成為許多通信子系統的主要供電電壓，必須對3.3V電源線(xiàn)上的噪聲進(jìn)行抑制，以確保從該電源線(xiàn)獲得電源供應的邏輯器件能夠正確工作。由于降壓開(kāi)關(guān)電源中輸入的是脈動(dòng)電流，所以需要一個(gè)大電容或大LC濾波器來(lái)濾除輸入噪聲，濾波器的體積和成本一般隨輸出電流的增加和輸入電壓的降低而增大。

◆ 成本

現有的電源模塊通常很貴，且對于大多數實(shí)際電源應用需求而言，標準電源模塊性能常常又超過(guò)要求。而定制模塊設計又需要一定時(shí)間，還會(huì )增加額外的成本，因此系統設計師需要尋求其它方案來(lái)降低成本。新技術(shù)趨勢

為了解決這些設計中的困難和挑戰，通信系統應用的低電壓大電流電源設計出現了下面一些新趨勢。

◆ 板上電源(on-board power supply)逐漸流行

由于每個(gè)板上電源的額定功率可以很容易地根據實(shí)際功率需求來(lái)確定，因此它們的成本和體積可以降到最低。同時(shí)與標準電源模塊相比，板上電源在技術(shù)上還有下面的幾個(gè)優(yōu)勢。

負載調節更加理想。板上電源消除了電源輸出與負載之間的互連電阻和電感，可以取得更理想的直流和瞬態(tài)調節效果。

效率更高。這種方案消除了電源連接器上的傳導損耗，此外板上電源可以使用接地層和其它直流電源層傳導直流電流，因為這些系統層