如何为通信结构设备挑选合适的电源供应设计

通信结构设备采用的电源供应系统由多种不同的元件组成。已校正功率因素 (PFC) 的交流/直流电源供应器在前端部分设有负载电流共用及冗余核对功能 (N+1)，可为紧密聚集在后端部分的高效率直流/直流模块及负载点转换器提供馈电。我们必须采用极具能源效益的电源供应系统设计，才可为高电压模拟电路提供供电，以及为高速数字通信特殊应用集成电路 (ASIC) 及现场可编程门阵列 (FPGA) 芯片提供高度稳定的低压供电。
　　由于不同系统对电源供应器有不同的要求，加上通信市场也一直在变，而且变化相当大，令通信设备制造商不得不进一步节省生产成本，也不得不采用更具能源效益和更加可靠的电源供应解决方案，以保持他们在市场上的竞争优势。
　　由于目前的营商环境充满挑战，因此全新的电压分配总线标准便应运而生，最近推出的 +12 伏 (V) 中间总线结构 (IBA) 便是一个好例子。我们只要采用低成本的无稳压 (开放环路) "砖"型转换器 (brick)，将 -48 伏总线转为标准 +12 伏中间总线，便可使用新一代的低成本负载点 (POL) 模块。这些采用单列直插式封装 (SIP) 及表面安装元件 (SMD) 封

装的小型负载点模块可为系统的不同负载提供低压供电，而且这是一个极具成本效益的方案。
　　但这些新一代的负载点模块还要面对不断涌现的竞争对手，例如分隔混合式电源供应系统，其中包括采用级联电流馈送或电压馈送推拉式转换器的系统。有些半导体供应商更特别为设计电源供应器的工程师提供设计支持，使他们可以将低成本的小型分隔式电源供应器直接嵌入主机板或线卡内。美国国家半导体新推出的高集成度 100 伏高电压功率特殊应用集成电路 (ASIC) 如 LM5041 级联脉冲宽度调制 (PWM) 控制器及 LM5030 推拉式脉冲宽度调制控制器不但可将所需的外置元件数目减至最少，而且也可将印刷电路板的面积尽量缩小。该款级联转换器能够直接利用 -48 伏总线提供的供电，以产生多个低电压输出，整体效率比利用 +12 伏中间总线转换器提供供电的负载点转换器高，而成本则更低。
　　究竟应选用现成的负载点模块与中间总线转换器模块，还是采用半导体厂商的嵌入式电源供应参考设计，以降低成本及提高效率？关于这个问题，设计电源供应器的工程师必须从中做出取舍。信息设备制造商开发新一代的低成本设备时，都比以往更为认真地研究成本、设计的复杂程度和不同风险的取舍。如果采用电源开关及内置的磁变压器会令个人电脑电路板的设计过于复杂，即使嵌入式电源供应解决方案很明显可以大幅节省成本及能源，始终会有部分厂商为不招致麻烦而拒绝采用这类嵌入式的电源供应解决方案。
　　对于设计较为简单而又只需提供一个供电电压的电源供应系统来说，加设变压器所涉及的额外成本实在微不足道，而且也不会令设计更为复杂。但需要输出多个不同电压的电源供应系统在设计上便显得较为复杂，特别是需要采用设有多个次级线圈、令设计更为复杂的变压器。需要提供多个电压输出的设计也可采用较为复杂的稳压电路，利用其可以感测多个电压输出的功能控制反馈环路。
　　网络电话 (VoIP)、数字用户线路 (DSL) 以及第三代移动电话基站的电源供应设计都必然有不同程度的复杂性。有多个因素会影响这三种电源供应设计的表现，我们将会在下文一一讨论。
　　网络电话 (VoIP)
　　网络电话的直流/直流转换器采用不太复杂的高功率单输出变压器设计 (典型电压介于 250W 与 500W 之间)，以便为主 -48 伏电压分配总线提供缓冲。配电式总线的电压若要保持平稳，便需采用笨重的电容器，以便将 36 至 72 伏的传统操作电压范围缩窄至 43 至 57 伏之间，而采用单电压输出变压器的设计可将笨重电容器的成本及电容减至最少。所有下向变频器或配电式总线上的其他负载也具有故障保护及安全隔离等功能。我们若采用可支持多个并行输出及负载电流共用等功能的直流/直流转换器，便可以提供故障承受 (N+1) 及散热功能，有助降低系统操作时的温度，使系统更耐用，性能更可靠。
　　一般来说，网络电话转换器需要的电源供应电路布局设计必须具备性能卓越 (高转换效率，极低线路电流)、容易使用、具成本效益、以及外形小巧纤薄等优点。目前市场上有多种不同的布局设计可供选择，每一种都在某一程度上可以满足这些要求。例如，回扫转换器便以其布局简单而甚受欢迎。回扫转换器与降压转换器 (如正向转换器) 不同，回扫转换器无需采用变压器磁通复位机制或输出电感器。回扫转换器虽然拥有这些优点，但用于某些应用方案时 (尤其是高输出电压系统如网络电话应用方案)，便需要加设昂贵的电容器，才可在输入及输出端过滤较大的纹波电流，这是回扫转换器的缺点。但我们只要在反相位内交错使用两个转换器，便可减低纹波电流，将回扫及正向转换器的纹波电流问题缓解。若所有因素 保持不变，交错系统的输入及输出纹波电流远比那些采用一个转换器的系统少。
　　对于网络电话系统来说，推拉式转换器 (图1) 是一个成效远比回扫转换器理想的解决方案。推拉式转换器基本上由两个交错的正向转换器组成，但其中只有

一个可自行复位的变压器以及一个输出电感器。以此来说，推拉式转换器只比一个独立的正向转换器稍微复杂一点，其纹波电流因为交错效应的关系而得以大幅减少，也因为这个缘故，推拉式转换器可以使用较小型的输入电感器。由于输出电感器会将输出纹波电流减弱，因此推拉式转换器可以使用额定纹波电流较低的低成本电容器。一般的回扫转换器只适用于不超过 150W 左右的功率转换，但推拉式转换器可以在高达千瓦的功率水平下正常操作，而且成效令人满意。
　　此外，需要发挥更高转换效率的网络电话系统可以采用较为复杂的布局，以确保输入电压处于两个极端时，系统仍可发挥极高的效率。设有电流馈送推拉式转换器的级联降压布局设计便是一个好例子。(注意：最适用于这种布局的 LM5041 专用脉冲宽度调制控制器已有大量现货供应。) 这个混合布局最适合高功率的系统采用。此外，这个布局也适用于高效率及高性能的系统，由于采用这个布局 会令效率及性能有所提升，因此即使成本较高也是值得的。

图 1适用于网络电话 (VoIP) 应用方案的推拉式转换器

　　数字用户线路 (DSL)
　　数字用户线路 (DSL) 的应用方案可以采用以 -48 伏供电提供多个电压输出的转换器。这个转换器内含一个设计更复杂、功率更低的多输出变压器 (50-100W)。这种 DSL 电源供应系统可以为高压模拟线路驱动器及放大器提供供电 (典型电压为 +/-12 伏)，也可为特殊应用集成电路提供多个低压供电 (+5 伏、+3.3 伏、+1.8 伏及 +1.5 伏)。设有多输出 DSL 转换器的电源供应系统必须采用高性能的布局设计，例如可以支持高转换效率以及具备卓越的负载与线路稳压能力，而且必须设计简单、成本低廉、以及外型小巧纤薄。
　　我们只要选用合适的布局设计及控制电路，便可确保 DSL 电源供应系统的性能达到我们的要求。DSL 电源供应系统所采用的布局若能获得具备崭新功能的新一代控制器芯片的支持，将有助减少所需元件的数目，以及节省电路板的板面空间，使系统设计可以进一步精简。小型电源供应器的设计一般都会采用印刷电路板 (平面) 变压器、输出电感器及表面贴着输入与输出电容器。
　　多输出电源供应器一般都需要装设一个多输出回扫转换器。虽然这样的布局最简单，但除了受控制的输出之外，所有输出都无法获得较好的负载稳压。回扫转换器的效率也不太理想，因为低电压输出的功率消耗最大，但将低电压输出加以同步整流则需要另外加设一些特殊应用集成电路，而市场上很少有这类特殊应用集成电路，因此回扫转换器的效率不易提升。
　　图 2 显示的电源供应器结构适用于 DSL 应用方案，是一个性能比较理想的结构。其中采用的推拉式转换器负责将 48 伏电压转为 +/-12 伏电压，以及将电源隔离。同步降压转换器利用 +12 伏供电干线提供的供电产生多个低电压输出。这个推拉式中间总线设计可以充分利用具成本效益的电源管理芯片如 LM5030 推拉式控制器及 LM5642 双通道电流模式同步降压控制器。LM5642 是一款高性能的芯片，每一条通道只需两枚场效应晶体管、一个输出电感器、一个输出电容器以及若干个电阻与电容器。

图 2适用于多输出系统的推拉式转换器及同步降压控制器

　　第三代 (3G) 基站
　　第三代的基站需要采用两个转换器，以便在正常情况下以及电流中断时可以提供 +27 伏的配电总线电压。其中的一个高电压转换器直接从交流电电源获得供电，并在正常操作情况下利用所得的供电为整个系统提供电源。另一个转换器则在交流电电源中断后利用 -48 伏的备用电池继续操作。无论在设计及结构复杂性来说，这个 -48 伏的备用电池与上文提及的单输出、高功率网络电话转换器都大致相同。已校正功率因素 (PFC) 的交流/直流转换器除了为第三代基站的射频功率放大器提供 2.7 伏的典型供电电压之外，也为负载点转换器提供总线供电电压。
　　图 3 所示的电源供应系统布局采用单转换级直流/直流转换器，以便交错使用主要的直流/交流转换器及备用电池转换器，使系统无需另外装设一个 400 伏至 48 伏的直流/直流转换器级。这样的设计有助节省成本，而同时又能提高系统的整体效率。
　　这个设计利用内含两枚场效应晶体管的正向转换器产生 27 伏的直流总线供电电压。这个正向转换器设有两个位于上层的场效应晶体管，每一晶体管都与初级线圈连接一起，而变压器的线圈匝数有适当的数目。每当交流电的供电电压处于正确的范围内，输入电压传感逻辑电路便会启动位于顶层并连接 400 伏总线的 Q2 场效应晶体 管。若交流电电源中断，位于顶层的 Q3 场效应晶体管会自动启动，以便利用备用电池为转换器提供供电。获备用电池提供供电的配电总线为主电源传送器及 3.3 伏的"砖"转换器提供 27 伏的供电，然后再由这个 3.3 伏的"砖"转换器将供电传送予负载点转换器。

图 3：第三代基站射频功率放大器的电源供应电路图

　　总结
　　目前市场上有多种专为电信结构设备而设的电源供应系统可供选择，以上介绍的三个方案可以刺激电源系统设计工程师的思考，鼓励他们进一步分析不同的配电结构及转换器布局。DSL、网络电话及第三代基站都各自采用独特的解决方案，显示市场上有各种不同的电源系统结构可供选择。各厂商可充分利用这些技术开发高度集成的系统。每一个应用方案都可以尽量在输入电压范围、输出数目、供电要求、成本、性能以及体积等方面突出自己的独特优势，以便为市场提供更多选择。
　　半导体厂商正纷纷推出各种高度集成的控制器，以削减电源管理模块的成本，以及精简嵌入式转换器的设计。由于市场竞争的关系，系统成本不断有下调的压力，令厂商不得不致力开发创新的结构，而这个不断追求创新的过程便促进电源系统的布局设计不断飞跃发展。