通信系統電源設計的拓撲架構

    現代電信系統需要更寬的帶寬、更快的數據率、更嚴密的保密措施、更新性能、更多的用戶和用戶特性的廣泛性，這促使為現代電信系統提供dc電壓和電流的電源設計，正在從傳統形式轉變到新的技術形態，基于dc-dc變換器的新一代電源系統必須工作在寬輸入電壓范圍，有時達到30~100V。同時，電源系統為高性能通信系統的ASIC、DSP和用深亞微米CMO工藝設計的微處理器提供若干低電平dc電壓。

    在通信和網絡服務器應用中，這意味著不僅僅變換48V輸入電壓為傳統的5V和3.3V，而且變換為新的更低的電壓(范圍從低于1V到2.5V，負載電流10~35A)。另外，電源系統必須保持嚴格的容限并產生最小的噪聲來保持信號的完整性。這些增加的要求發生空間受限制和熱管理是主要考慮的環境中。

    為了滿足這些要求，電源系統架構正在從早期的集中提供較低電壓和電流變換到目前的分布方法。代替單電源產生所有必須的電壓電平，現在電源沿著第2和第3總線分布到dc-dc變換器，降壓到適合各個電路或子系統的電壓電平。

    在每個電平，設計人員可以設計或購買dc-dc變換器，這種變換器為若干IC、ASIC、溫合信號器件或完整的印刷電路板提供必須的電壓和電流。每種dc-dc變換器具有特殊的拓撲，拓撲取決于它供電的電路和所工作系統的很多因素，如效率、噪聲電平、物理因數(高度、重量、大小)，所需的輸出電壓數量、功耗和散熱。本文將討論專門的折衷考慮和滿足不同系統電源設計目標的最好拓撲結構。

    分布電源

    在分布電源架構(圖1)中，前端電源變換ac電源為dc并通過第一級總線分配 dc電壓(電信系統中通常為-48V)到dc-dc中間總線變換器(IBC)。IBC的目的首先是提供隔離以及降低ac-dc前端分布的電壓到較低的電壓電平。這應該發生在通過第2級分布總線送它到最后非隔離dc-dc(降壓)變換器前。負載點(POL)變換器為系統提供所需的電壓和電流。

    圖2示出dc-dc隔離電流模塊和POL負載點變換器如何配置成典型的分布電源系統，提供多輸出電壓和電流。來自前端ac-dc電源的DC電壓(-36~-72V)饋入一個隔離的電源模塊，此模塊代表一個總線變換器。模塊完全是隔離ac-dc變換器，有不同的形式(全磚、半磚、1/4磚)，具有標準的占位面積，引腳輸出和散熱能力。POL變換器可以是開關穩壓器(降壓或升壓穩壓器)和線性穩壓器的組合或僅是線性穩壓器，這取決于所供電的電路要求。靈敏電路需要低噪聲線性穩壓器，而高效率開關穩壓器是必須有最小功耗的電源系統的選擇。

    -48V電信分布電源系統

    圖3示出電信應用的-48V分布電源系統框圖，該圖說明了電源從輸入ac線到低電壓dc-dc POL變換器的過程，電池(48V)為電源失效時備份ac-dc變換器。-48V熱交換控制器(IC)在帶電插撥電路板時，為電源連接提供智能控制，這包括侵入電流控制，短路保護和保護電源系統的其他保護功能。第一個dc-dc變換級是一個隔離變換器，這意味著輸入dc電源地與輸出ac電源地是隔離的，通常采用變換器隔離，隔離是限定的，防止在失效條件下所呈現危險電壓電平危害人。然而，隔離電路使變換器比較貴并對效率有影響。為系統單元電路提供電源的POL變換器不需要隔離，因為它們由為其提供dc輸入電源的隔離電源模塊保護。

    混合電源系統

    可以用集中和分布單元的組合設計電源系統，如圖4所示的混合電源系統。集中電源產生5.0V和3.3V邏輯電源(其輸入為ac線)以及分布到電壓穩壓器模塊(VRM)的12V dc電平。用VRM為高性能處理器提供很大電流、低電壓芯核和I/O電壓。VRM電源變換器放置在母板靠近處理器的 “負載點”處，這可減少電路板跡線電壓降，在不同的情況下，跡線電壓降對于有效的變換器工作是不能接受的。

    基本的DC-DC變換拓撲

    所有的dc-dc變換器可分為線性穩壓器和開關穩壓器兩種。線性穩壓器的優點是簡單、較低的輸出紋波電壓和噪聲，簡單的線性和負載調整。開關穩壓器具有較高的效率，可高達95%(線性穩壓器效率大約為50%或更低)，并且有較大的功率密度(功率與體積比，量度為W/in3)。開關變換器與線性變換器相比對于寬輸入—輸出電平比更有效，因為開關變換器利用輸出濾波部件。圖5示出線性和開關穩壓器的框圖。

    非隔離降壓拓撲

    降壓變換器是構成大多數開關變換器架構基礎的基本拓撲。它是最通用的拓撲，在分布電源系統中會用到這種拓撲，因為必須變換高dc電壓(48V)到較低的電壓，而且功耗小。開關是一個功率晶體管(通常是MOSFET)，其柵極由執行脈寬調制(PWM)的IC驅動它控制占空比(晶體管的開關時間)，從而控制輸出電壓大小。圖6示出非隔離降壓拓撲。

    降壓變換器特性為：

    ·無隔離地

    ·只降電壓

    ·只有單輸出

    ·非常高的效率

    ·低輸出紋波電流

    ·高輸入紋波電流

    ·需要高端柵極驅動

    ·大占空比范圍

    ·寬穩壓范圍

    低功率拓撲

    單晶體管拓撲(圖7)，如降壓、升壓、正激、反激是在分布系統(高達100W)中設計用于相當低功率負載的dc-dc變換器。降壓和升壓電路是非隔離的，而正激和反激變換器提供變壓器隔離。

    大功率拓撲

    推挽、半橋和全橋dc—dc變換器是隔離開關拓撲，與單晶體管類型相比這種拓撲能提供更大功率輸出。2晶體管拓撲的優點是用同樣大小的變壓器它所提供的功率是單晶體管類型的2倍。橋拓撲中的晶體管僅注意一半或正激(或推挽)配置中較小電壓承載。所以，晶體管電壓額定值為其他拓撲所需值的幾分之一。半橋和全橋變換器往往用于離線應用中，工作具有非常高的400V dc輸入電壓(來自整流和功率因數校正的ac輸入線電壓)。

    正激和反激變換器也用于較低功率(小于100W)的離線應用中。不像正激和反激變換器那樣，橋變換器在高達1500W的大功率dc—dc應用中可提供高效率，推挽變換器在低輸入電壓特別有效，它可產生多輸出電壓，其中一些輸出電壓，可以是相反極性。