現代通信系統電源設計

 
　　通信基礎設備使用的各種電源系統元件有很多種，從前端的功率因子校正 (PFC) 交流/直流電源到后端的高效直流/直流模塊（塊）和負載點(diǎn) (POL) 轉換器都有?，F代通信直流/直流電源的應用，從需要很高效率的中間總線(xiàn)式轉換器 (IBC)，到那些日趨細小輕巧的語(yǔ)音 IP (VoIP) 數字電話(huà)，以及要求多路緊密調節電壓（7 路至 13 路輸出）的數字用戶(hù)線(xiàn) (xDSL)  電源等，范圍很廣泛。

    中低功率應用（15W-100W)通常使用低成本的單端正向或回掃拓撲結構來(lái)設計這些電源模塊，而推挽式、半橋和全橋拓撲結構在功率更高的應用 (100W-1000W+) 中很流行。中間總線(xiàn)架構 (IBA) 是一種新型分布式總線(xiàn)標準，它利用一種低成本的非穩壓（開(kāi)環(huán)）中間總線(xiàn)式轉換器 (IBC) 將  –48V 通信總線(xiàn)轉換到 +12V 中間總線(xiàn)，從而通過(guò)使用低成本的負載點(diǎn)(POL)模塊簡(jiǎn)化板上電源設計。

　　美國國家半導體公司最近發(fā)布了一系列新的高壓電源轉換數字特殊應用集成電路（ASIC），即 LM5000 系列，該系列提供了多種脈沖寬度調制（PWM）控制器驅動(dòng)器芯片組，用于這些最新而先進(jìn)的電源系統設計中。這些芯片能承受高達 100V 的輸入電壓，滿(mǎn)足了通信系統電壓瞬態(tài)規范的應力限制。它們工作于超過(guò) 1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，與現有的解決方案相比，提高了電源效率，并成為眾多電源應用的基準。該系列從低成本的中功率正向拓撲結構（使用 LM5025 電壓模式有源鉗位PWM 控制器），到中功率 IBA 轉換器（使用 LM5033 半橋或推挽 PWM），再到最先進(jìn)、功率最高的級聯(lián)式電流饋電拓撲結構（由 LM5041 和 LM5100 控制器驅動(dòng)器芯片組支持），覆蓋了所有的功率級別。

　　新型 IBA 電源系統方法需要兩級轉換：首先是非穩壓隔離級，然后是多個(gè)緊密調節的負載點(diǎn)板上安裝的直流-直流電源模塊。隔離級（稱(chēng)作中間總線(xiàn)轉換器）的拓撲結構一般是開(kāi)環(huán)、非穩壓、自由運行“直流變壓器”，被選擇用來(lái)隔離和降低總線(xiàn)電壓，同時(shí)保證低成本和高功率轉換效率（大于 95%)。雙輸出 LM5033 PWM 控制器和 LM5100 半橋驅動(dòng)器構成一個(gè)理想的芯片組解決方案，能將這些中間總線(xiàn)轉換器設計中需要的外部元件成本和數量降至最低。

　　圖 1 以典型的通信電源總線(xiàn)轉換器設計中的 LM5033/LM5100 芯片組為例，在該設計中，40-60V 輸入總線(xiàn)電壓通過(guò)一個(gè)隔離變壓器，向下轉換至 10-15V 中間總線(xiàn)電壓，并分配至下游安裝在板上的負載點(diǎn)模塊中。通過(guò)維持LM5033 雙控制器的輸出在一個(gè)恒定的 50% 占空比，實(shí)現了最高的電源效率，這樣做降低了開(kāi)關(guān) FET 和同步整流器上的電流和電壓應力，同時(shí)改善了變壓器的線(xiàn)圈使用率。

圖中文字的譯文：

input voltage — 輸入電壓

　　IBA 兩級架構的競爭對手是更傳統、使用回歸或正向拓撲結構的單級隔離電源。與那些用于IBA 方法的緊密調節負載點(diǎn)模塊相比，這些電源雖然提供了富有競爭力的成本和電源效率，但很難在多個(gè)輸出維持良好的穩壓。

　　與標準的正向轉換器相比，有源鉗位正向轉換器提供了更高的效率，而且在中功率應用 (50-200W) 中更受歡迎。有源鉗位正向轉換器部署了一個(gè)有源復位 FET 和電容器，在損耗最低的情況下使核心復位。鉗位電容器捕獲磁化能量和釋放能量，并把它們返回源極，從而提高了電源轉換效率。

　　圖 2 描繪了典型的48V 單級通信電源設計中的 LM5025 有源鉗位正向控制器，其工作輸入電壓范圍是 36 至 75V，額定輸出在 3.3V 時(shí)可高達 100W。該控制器的兩路輸出直接驅動(dòng) N 通道功率金屬氧化半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和 P 通道復位 MOSFET。這兩路驅動(dòng)器輸出的大小不同，主輸出產(chǎn)生較大的 3Apk 門(mén)極驅動(dòng)，其目的是迅速開(kāi)關(guān)大功率 MOSFET 以便降低開(kāi)關(guān)損耗。復位 MOSFET 的輸出要小得多，這是因為它只傳導磁化電流，因此門(mén)極驅動(dòng)器的大小僅為 1Apk。要實(shí)現最高的效率，兩路門(mén)極驅動(dòng)器輸出之間的時(shí)序延遲就甚為關(guān)鍵，而 LM5025 控制器就具備了這樣的一個(gè)可編程功能。

　　對于輸出電壓較低的應用方面，就有必要使用同步整流器以實(shí)現較高的整體電源效率。有源復位方案適合使用同步整流器，這是因為同步整流器可以直接通過(guò)次級變壓器自我驅動(dòng)，如圖所示。
           
圖中文字的譯文：

up/down sync — 向上/向下同步

　　圖 3 展示了 LM5041 級聯(lián)式控制器和 LM5100 半橋驅動(dòng)器組合而成的芯片組，用于設計雙級級聯(lián)式降壓饋電轉換器。該轉換器包含一個(gè)高壓降壓前級穩壓器，用于在推挽電源變壓器級維持一個(gè)固定的電壓，這個(gè)變壓器級被用作“直流變壓器”，類(lèi)似前文所述的 IBC。通過(guò)設置變壓器匝數比，將預穩壓電壓降至最終的輸出電壓。目前生產(chǎn)的級聯(lián)式轉換器能進(jìn)行緊密的線(xiàn)路穩壓，其線(xiàn)路輸入電壓范圍寬達 4:1 甚至更高。它還能提供令人印象深刻的輸出負載瞬時(shí)響應，同時(shí)消除了輸出濾波器電感器和電流傳感電阻器，這是降低成本和復雜性的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它的輸出電路具備回掃穩壓器的簡(jiǎn)單性和其它優(yōu)點(diǎn)。輸出濾波電感器的刪除，縮短了加載階躍變化的延遲，并且引起電壓回路錯誤的電感器也不存在了。推挽直流變壓器持續在精確的50%占空比上軀動(dòng)，從而產(chǎn)生連續不斷的電力流至輸出端。這樣做不但使隔離變壓器核心的使用率最佳化，同時(shí)也降低了輸出元件的應力和干擾，使級聯(lián)拓撲結構非常適合于高輸出功率的應用。

圖中文字的譯文：

　　buck stage — 降壓級    push-pull stage — 推挽級    output inductor removed —輸出電感器已刪除    buck out cap removed — 降壓輸出電容器已刪除

　　圖 4 展示了推挽 MOSFET 漏極波形和降壓級開(kāi)關(guān)節點(diǎn) (Vsw)。當兩個(gè)漏極均為低電平時(shí)，交迭時(shí)間便會(huì )顯示出來(lái)。推挽級的工作切換頻率是降壓級的一半．

圖中文字的譯文：

trace 1: Push_Pull XFR Side A -- 1 號跡線(xiàn)：推挽 XFR 的 A 側   

trace 2: Push_Pull XFR Side B -- 2 號跡線(xiàn)：推挽 XFR 的 B 側   

trace 3: Push_Pull XFR Side A -- 3 號跡線(xiàn)：降壓級開(kāi)關(guān)節點(diǎn)   

Note: there … -- 注意：存在一段推、拉開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通的交疊時(shí)間。這是保持感應器電流路徑所必需的。

　　圖 5 展示了雙級多輸出數字用戶(hù)線(xiàn) (DSL) 的電源應用，它使用了由 LM5030 推挽控制器驅動(dòng)的一個(gè)功率較低的多輸出隔離變壓器，加上 LM5642 雙輸出電流模式降壓控制器。該電源提供了線(xiàn)路驅動(dòng)器和放大器的兩種模擬電壓（典型值為 +/-12V)，以及數字 ASIC 所需的幾種較低電壓（+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V)。LM5030 被用作推挽轉換器的中心部件，把 48V 輸入電壓轉換成 +/-12V，同時(shí)提供電絕緣。LM5642 控制器構成負載點(diǎn)同步降壓轉換器，接收來(lái)自中間總線(xiàn)軌的+12V電力，并產(chǎn)生用于 xDSL 卡電子器件的多路低壓輸出。高性能雙輸出 LM5642 降壓控制器的每條通道只需要一對 FET、一個(gè)小型輸出電感器和輸出電容器，以及幾個(gè)電阻器和電容器，構成了高效率、低成本的 IBA 解決方案。

圖中文字的譯文：

　　Inrush protection—涌入電流防護    LM5030 push-pull converter—LM5030 推挽轉換器    synchronization—同步    sequencing—定序    dual synchronous buck controller 雙同步降壓控制器

　　下面的表 1 列出了美國國家半導體公司的一些新型高壓 ABCD（模擬雙極 CMOS DMOS）技術(shù)系列，它們具有充足的擊穿電壓，有利于簡(jiǎn)化通信電源轉換器的設計。被稱(chēng)為 ABCDXV1 和 ABCDXV2的兩種新技術(shù)增強了 N 通道 DMOS 功率晶體管、高壓 PMOS 器件和結隔離二極管的擊穿電壓，使它們能夠承受高達 100V 的直流輸入工作電壓范圍，以便滿(mǎn)足通信電力系統標準中的瞬態(tài)電壓規范。這兩種新型平臺（XV1 和 XV2）是建基于現有的 45V ABCD150 技術(shù)平臺（應用在流行的 SimpleSwitcherTM 降壓穩壓器的大批量生產(chǎn)中），并分別提供 80V 和 100V 擊穿電壓。

表 1  高壓 ABCD 技術(shù)

表中文字的譯文：

三種技術(shù)的基本特性和應用概括如下：