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(POL)轉換器，不一而足。從需要很高效率的中間總線轉換器(IBC)，到那些日趨細小輕巧的VoIP數字電話，以及要求多路緊密調節電壓(7～13路輸出)的數字用戶線(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。中間總線架構(IBA)是一種新型分布式總線標準，它利用一種低成本的非穩壓(開環)中間總線式轉換器(IBC)將-48V通信總線轉換到+12V中間總線，從而通過使用低成本的負載點(POL)模塊簡化板上電源設計。
---美國國家半導體公司最近發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，滿足了通信系統電壓瞬態規范的應力限制。其開關頻率超過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、功率最高的級聯式電流饋電拓撲結構(由LM5041和LM5100控制器驅動器芯片組支持)，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，然后是多個緊密調節的負載點板上安裝的DC/DC電源模塊。隔離級(稱作中間總線轉換器)的拓撲結構一般是開環、非穩壓、自由運行“直流變壓器”，被選擇用來隔離和降低總線電壓，同時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半橋驅動器構成一個理想的芯片組解決方案，能將這些中間總線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輸入總線電壓通過一個隔離變壓器，向下轉換至10～15V中間總線電壓，并分配至下游安裝在板上的負載點模塊中。通過維持LM5033雙控制器的輸出在一個恒定的50%占空比，實現了最高的電源效率，這樣做降低了開關FET和同步整流器上的電流和電壓應力，同時改善了變壓器的線圈使用率。
---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時可高達100W。該控制器的兩路輸出直接驅動N通道功率MOSFET和P通道復位MOSFET。這兩路驅動器輸出的大小不同，主輸出產生較大的3A門極驅動峰值電流，其目的是迅速開關大功率MOSFET以便降低開關損耗。復位MOSFET的輸出要小得多，這是因為它只傳導磁化電流，因此門極驅動器的峰值電流僅為1A。要實現最高的效率，兩路門極驅動器輸出之間的時序延遲就甚為關鍵，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次級變壓器自我驅動，如圖2所示。
---圖3展示了LM5041級聯式控制器和LM5100半橋驅動器組合而成的芯片組，用于設計雙級級聯式降壓饋電轉換器。該轉換器包含一個高壓降壓前級穩壓器，用于在推挽電源變壓器級維持一個固定的電壓，這個變壓器級被用作“直流變壓器”，類似前文所述的IBC。通過設置變壓器匝數比，將預穩壓電壓降至最終的輸出電壓。目前生產的級聯式轉換器能進行緊密的線路穩壓，其線路輸入電壓范圍寬達4:1甚至更高。它還能提供優異的輸出負載瞬時響應，同時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優點。它的輸出電路具備回掃穩壓器的簡單性和其他優點。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，從而產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，同時也降低了輸出元件的應力和干擾，使級聯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關節點(Vsw)。當兩個漏極均為低電平時，交迭時間便會顯示出來。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環路(DSL)的電源應用，它使用了由LM5030推挽控制器驅動的一個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。該電源提供了線路驅動器和放大器的兩種模擬電壓(典型值為