現代通信系統電源設計

通信設備使用的電源器件有很多種，從前端的功率因數校正(PFC)AC/DC電源到后端的高效DC/DC模塊和負載點(diǎn)(POL)轉換器，不一而足。從需要很高效率的中間總線(xiàn)轉換器(IBC)，到那些日趨細小輕巧的VoIP數字電話(huà)，以及要求多路緊密調節電壓(7～13路輸出)的數字用戶(hù)線(xiàn)(xDSL)電源等，DC/DC電源在現代通信中獲得了廣泛應用。
---中低功率應用(15～100W)通常使用低成本的單端正向或回掃拓撲結構來(lái)設計電源模塊，而推挽式、半橋和全橋拓撲結構在功率更高的應用(100～1000W)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。其開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1MHz，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DC/DC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。
---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采用了一個(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36～75V，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3A門(mén)極驅動(dòng)峰值電流，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)器的峰值電流僅為1A。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2所示。
---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。它還能提供優(yōu)異的輸出負載瞬時(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)單性和其他優(yōu)點(diǎn)。去掉輸出濾波電感器，便縮短了加載階躍變化的延遲，并且無(wú)需采用引起電壓回路錯誤的電感器。推挽直流變壓器持續在精確的50%占空比上驅動(dòng)，從而產(chǎn)生連續不斷的電流至輸出端。這樣做不但提高了隔離變壓器核心的使用率，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5展示了雙級多輸出數字用戶(hù)環(huán)路(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