面向电信系统的电源管理设计

随着带宽的不断增加，有线和无线基础电信系统中的放松管制和竞争推动了对于低成本设备解决方案的需求。电信设备电源管理要求中需要应对的挑战不断增加，这就愈加要求设计人员能够为各种数字信号处理器 (DSP)、现场可编程门阵列 (FPGA)、专用集成电路 (ASIC) 和微处理器提供更多的电压轨。简而言之，就是要求电源管理解决方案能够在更小的空间内，更高效地生成更多不同的电压和更大的电流，并降低噪声。另外，如果说这些要求还不够具有挑战性的话，那么这种解决方案还必须要实现低成本，这恐怕就颇具挑战性了！

　　更加靠近用户地部署接入设备要求更小的附件(衬垫和安装孔)，其必须能够经受得住较为恶劣的环境考验。由于局端的空间非常小，因此基础设施设备将被设计为更加小型化。推动电源管理产品发展的因素是外形尺寸、散热管理、成本，以及电气性能(稳压、瞬态响应以及噪声产生)。本文将让您对板上电源系统的发展以及最新一代解决方案如何以更小的封装实现更高的性能和更低的成本等方面有一个基本的了解。

　　外形尺寸/效率/成本

　　同时解决外形尺寸、效率和成本问题的需要，再一次激发了人们对电源架构的兴趣。第一代板上电源使用的电源架构被称为分布式电源架构 (DPA)(请参见图1)。这种架构每个电压轨均使用了一个隔离式(砖形)电源模块，因此其在电源轨非常有限的情况下能够很好地工作，但是每增加一个电压轨，成本和 PCB空间都会随之大大增加。电压轨的排序也同样非常困难，而且还要求增加外部电路，从而会增加成本和板级空间占用。

　　为了解决DPA在尺寸和成本方面的局限性，第二代板上电源系统转而采用固定电压中间总线架构(IBA)(请参见图2)。IBA采用了单个隔离式砖形电源模块和许多非隔离式负载点(POL)DC/DC转换器。POL可以是一些电源模块(例如：TI的PTH 系列)，也可以是一些分立降压转换器。隔离式转换器工作在与第一代板上电源系统相同的输入电压范围上，即36V～75V或18V～36V。该降压转换器会创建一个IBA电源，并将电压稳压固定在3.3V、5V和12V。如何选择电压取决于系统设计人员。凭借TI的Auto-Track等特性，这种设计可减少板级空间的占用，降低成本，简化电压排序。这种架构唯一的缺点在于效率较低，这是因为每个电压都需要进行双转换。

　　当今，大多数电信系统都使用固定电压IBA。但是，由于接入设备设计采用了密封封装(seaLED enclosure)，不再需要强制风冷，我们就需要一款效率更高、占用面积更小的解决方案了。正如每一个设计人员都了解的那样，系统散热的最佳方法就是避免热量的产生。由于所有电能都要通过前端隔离式转换器，因此在考虑提高效率时，前端隔离式转换器就是要重点讨论的问题。实践证明，提高隔离式转换器效率的方法是使其以固定占空比运行，并且不对输出电压进行稳压操作，这就是非稳压式中间总线架构(请参见图3)。

　　这种架构使用一个非稳压总线转换器，其会产生一个与输入电压成一定比例的输出电压。在本例中，ALD17 5：1转换器生成了一个输出电压，该电压为输入电压的1/5。这种技术允许一个150W系统/电路板实现1/16的砖形设计，从而在第一个转换阶段实现96%的效率。有了宽泛输入电压范围(4.5V～14V)的PWM以及TI的T2产品等电源模块，就能采用这种非稳压式电压架构。这种架构的局限性在于总线转换器的最大输入电压范围是36V～55V，以确保POL的输入电压小于12V。之所以最大不能超过12V，是因为POL要生成不高于1V的输出电压，输入电压不能超过输出电压的10～12倍。但是，越来越多的电信原始设备制造商(OEM)都在考虑转而采用这种输入范围，以通过这种架构来节约成本、缩小尺寸并提高效率。

　　一些电信OEM厂商坚持使用传统的36V～75V的宽输入电压规范，输入瞬态电压为100V。为了满足这些要求，电源行业推出了半稳压IBA(请参见图4)。该半稳压IBA和非稳压式IBA之间的主要区别是，如果输入电压超过了55V～60V的范围，那么该半稳压IBA就将输出电压稳压至10V左右。这种方法的缺点是，隔离式电源模块必须增加尺寸来容纳稳压电路，同时当输入电压超过55V时其效率会降低。TI的PTQB系列就是这类产品的一个例子。