高端路由器供電系統的設計

摘    要：本文介紹了分布式供電系統和三種基本的板上DC/DC轉換器的結構，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎上提出了一臺高端路由器供電系統的設計方案，并給出了電源設計框圖。
關(guān)鍵詞：分布式供電系統；DC/DC轉換器；高端路由器
引言
高端路由器是指在Internet骨干網(wǎng)核心使用、性能優(yōu)良、具有高密度高速端口和巨大交換容量的新一代路由器產(chǎn)品。它的可擴展性、高速接口、互操作性、QoS能力和可靠性，不僅能為骨干網(wǎng)提供良好的升級、服務(wù)質(zhì)量和故障恢復能力，還能為網(wǎng)絡(luò )向下一代基于IP的高速骨干網(wǎng)發(fā)展奠定良好的基礎。
在高端路由器中，供電系統是不可缺少的重要組成部分。供電指標如動(dòng)態(tài)特性、輸出電壓紋波、地線(xiàn)壓差等與高端路由器能否正常工作有著(zhù)非常密切的關(guān)系，其他指標如熱插拔、可靠性、易維護性、易于升級、成本是否低廉等也都是供電系統設計中應重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

分布式供電系統介紹
高端路由器在結構上一般設計成機柜形式，用背板進(jìn)行信號轉接，從而將十幾塊到幾十塊具有不同功能的插件卡聯(lián)系在一起，來(lái)完成各種通訊功能。針對這種機械結構，供電系統一般采用48V母線(xiàn)分布式供電結構，先將交流220V轉換成直流48V，然后利用DC/DC轉換器將48V轉換成各插件卡所需的各種工作電壓如5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V等。所有DC/DC轉換器均與負載設計在一塊印制板上或放置在距離負載板非常近的地方，再通過(guò)導線(xiàn)連接到負載板上。
這種供電方式的優(yōu)點(diǎn)為：采用48V電壓傳送直流電流，母線(xiàn)上電流很小，容易實(shí)現插件熱插拔，提高系統的可維修性；直流地線(xiàn)與能量輸送線(xiàn)相互獨立，直流地線(xiàn)上沒(méi)有大電流通過(guò)，有效地減少了系統地線(xiàn)電位差，有利于提高全系統供電的一致性及減少共模傳導干擾；電源的穩壓輸出端非?？拷撦d，能獲得很高的供電質(zhì)量。
在分布式供電系統設計中，板上DC/DC轉換器的選擇和設計是最關(guān)鍵的問(wèn)題。每塊負載板都需求多種電源，且各種電源的電流要求大不一樣。因此，如何確定DC/DC轉換器的形式成為設計中最為重要的問(wèn)題。近年來(lái)，電源器件發(fā)展相當迅速，各種隔離型轉換器、非隔離型轉換器、負載點(diǎn)轉換器(POL)、VRM、LDO不斷推出，為分布式供電系統的普及和發(fā)展提供了充足的條件。
下面以3.3V、2.5V、1.8V、1.5V輸出為例，簡(jiǎn)單介紹幾種不同形式的板上DC/DC轉換器的供電結構。
1. 每路電源輸出均采用隔離型轉換器，如圖1(a)所示。
2. 中間總線(xiàn)變換器之后接非隔離型轉換器，如圖1(b)所示。
3. 高電壓(>2.5V)用隔離型轉換器，其他低電壓用非隔離型轉換器從高電壓中轉換，如圖1(c)所示。
這三種形式的供電結構各有其優(yōu)缺點(diǎn)：采用寬輸入范圍、可調節的總線(xiàn)轉換器的中間總線(xiàn)結構在成本、占用空間和功耗上代價(jià)更高；全部采用隔離型轉換器在效率方面最高，成本較中間總線(xiàn)結構稍低；在某些應用中，當有一個(gè)3.3V的大電流電源時(shí)，采用3.3V轉換器作為總線(xiàn)轉換器比全部采用隔離型轉換器的成本更低，但在功耗方面稍高；當全部電壓都低于2V時(shí)，采用隔離型轉換器是所有方案中最有效的。在實(shí)際應用中可根據成本、負載電流的大小、效率、PCB板面積、動(dòng)態(tài)響應和濾波等要求來(lái)綜合考慮，以獲得一個(gè)最優(yōu)的供電方案。

某高端路由器供電系統設計
設計要求
在某型號高端路由器的設計中，需要給三種插件卡供電，電源需求和功耗估計分別為：
A卡：5V/10A、3.3V/12A、2.5V/10A、1.8V/15A，要求在開(kāi)機和關(guān)機時(shí)，3.3V、2.5V和1.8V三種電源均能跟蹤5V電源的電壓變化，此外還需電源支持熱插拔。
B卡：1.8V/20A、3.3V/3A、5V/0.15A、2.5V/1.2A，要求電源支持熱插拔。
C卡：5V/3A、3.3V/5A、2.5V/1A，要求電源支持熱插拔。
整個(gè)路由器由20塊插件卡組成，總功耗約1000W左右。
整體設計
供電系統采用48V母線(xiàn)分布式供電方式，由兩臺AC/DC電源并聯(lián)工作產(chǎn)生直流48V電源。兩臺電源互為冗余備份，大大提高了供電系統的可靠性。直流48V電源通過(guò)匯流條送到背板上，供給各個(gè)插件卡。所有DC/DC轉換器均與相應的插件卡做在同一塊板上，提供5V、3.3V、2.5V、1.8V等多種電源。
供電設計方案
插件卡A供電
如圖2所示，四種電源全部采用48V輸入的隔離型電源轉換器。
熱插拔控制芯片選用凌特公司生產(chǎn)的LT1640L負電壓熱插拔控制器，通過(guò)控制串聯(lián)在48V母線(xiàn)上的MOSFET，使其緩慢導通或截止從而抑制輸入電壓和輸入電流的變化幅度，保證供電系統的安全性。除了采用LT1640L熱插拔控制器外，還使用了一種簡(jiǎn)單的熱插拔控制方法，即在插件卡的金屬架上裝上一個(gè)微型開(kāi)關(guān)，平時(shí)該開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，只有插件插到位以后才閉合。利用該信號去控制電源轉換器的開(kāi)通和關(guān)閉，即使MOSFET已經(jīng)全部導通，但由于微型開(kāi)關(guān)還未閉合，四個(gè)電源轉換器都無(wú)輸出電壓，從而可以有效地保護負載電路免受沖擊而損壞。兩種電路相結合可以更好地實(shí)現熱插拔。實(shí)踐證明，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，效果良好。
電源開(kāi)關(guān)機時(shí)的電壓跟蹤功能由一片SMT4004芯片來(lái)實(shí)現。SMT4004是SUMMIT公司生產(chǎn)的四電壓跟蹤管理器，可通過(guò)編程來(lái)實(shí)現軟啟動(dòng)或電壓跟蹤功能；能控制四路獨立的最低可達0.9V的電壓；總線(xiàn)側和卡側的過(guò)壓和欠壓門(mén)檻均可編程；帶有I2C串聯(lián)總線(xiàn)接口用來(lái)編程、開(kāi)關(guān)機和運行狀態(tài)監測；有256