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适用通信系统的低压大电流电源的现状及前景

时间:2017/3/8 16:25:53 标签:电源 点击:8 次
  

对计算速度增长的需要促使时钟频率和供电电流的相应增加,有些设备的供电电流已经超过100A。随着供电电流的增加,而供电电压却反而呈下降的趋势,这主要是因为计算设备此时可以用很好的线宽工艺来制造。此外,低电压、大电流对功耗是十分敏感的,所以对于电源设计者来说,需要采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源的体积和重量,改善电气性能指标,提高工作可靠性,降低对电网的污染,消除对其它设备的干扰,增强智能化程度等是其基本发展方向。

2 通信电源设计面临的挑战

在当今的许多系统中,通信系统里线路板的成本是最昂贵的。故而尺寸的限制,加上低成本和新技术挑战的压力,使低压、大电流电源的设计成为通信系统设计中最难的任务之一。

2.1 稳压器的挑战

由于供电电压不断降低,已经达到1V,即使在电源干线上低到mV级的纹波,都可能给计算设备带来很大的影响。而大电流是产生电压纹波的主要根源,包括它在PCB板走线上,或在电源与CPU电源引脚间连接器上产生的10-50mV的电压降。当输出电压在l-1.5V范围内时,这种电压降就显得更为重要。因此,就必须在正向输出干线和输出回路(或负向输出)干线上进行电压采样。另外一个问题是现代的计算设备可以根据系统发出的命令不同而使供电电流瞬间改变,甚至高达20A。这样大幅度的负载变化,伴随着快速的电流转换速率使电压产生过冲。为了处理这些动态负载和减小输出电容,必须采用具有极其快速瞬态响应的电源。

2.2 散热的挑战

随着系统复杂性的增加,系统封装的密度也相应增大。散热成为系统硬件设计者必须面对的挑战之一。同时,对电压的稳定性要求苛刻的高性能的计算设备还要求对它供电的电源进行管理。因此,减小电源的功耗,排除PCB和功率器件上的过热点是非常重要的,这可以避免为已经很热的计算设备增加热量。

2.3 输入噪声的挑战

由于在许多通信子系统中,负载电源的分布总线通常使用3.3V,3.3V总线上的噪声必须减小,以确保从电源总线上获得功率的逻辑设备正确工作。由于在降压开关电源中输入电流存在波动,这就需要大量的输人电容或LC滤波器用以滤除输入噪声。这样的滤波电路通常会由于输出电流的增加或输人电压的降低而使体积和成本增加。

2.4 低成本要求的挑战

成品的电源模块,如“砖型模块”是非常昂贵的。此外,标淮电源模块对大多数应用而言,都远远超过实际所用电源的指标要求。因此,定制一种模块会花费时间和额外的费用,系统设计者应寻找其他节省成本的电源。

3 通信电源设计新技术

3.1 多相技术

为提高电流容量,传统的单相方案采用多个MOSFET并联,再用一个庞大的电感器滤波,这种方法一方面会导致在MOSFET上产生较大的开关损耗,且在电感器和MOSFET焊盘上引起电流堆积,影响PCB板的可靠性;另一方面,由于效率与开关频率都很低,必须使用大输出电感器,使瞬态响应变慢。多相拓扑结构基于现有的单相结构之上,能有效解决单相结构中较大的纹波电压和较慢的瞬态响应之间的矛盾,非常适合低电压大电流精密电源的设计。多相技术的主要优点:

3.1.1纹波电流的消除使输人电容、输出电感和输出电容的体积及成本降低。

3.1.2输人纹波电流的消除减少了输人噪声,这对于3.3V分布式总线的应用更具有吸引力。

3.1.3可达到更快的负载瞬态响应。因为并联输出电感可以改善瞬态响应,比较小的等效电感可以提高输出电流的转换速率。

3.1.4可获得更高的效率。这是由干多相技术有较低的开关损耗和一致的电流分布,这更有助于减少热量,提高整个系统的可靠性。下图是一个两相PWM控制的DC/DC变换器的示意图。

一般来说相对于普通的单相PWM控制,多相PWM控制DC/DC变换器增加了一个或多个变换器,而且每个变换器的相位相对有一定间隔,如上图的两相PWM控制变换器的两个变换器ON/OFF相对间隔为180°。工作中功率被平均分配到两个通道中,从而减小了各相承担的电流,避免了开关管、整流管、输出电感等器件过于疲劳,发热过于集中。并且由于通道之间交叉开闭,电流相互叠加,大大减少了输入、输出电流纹波,减小电磁干扰EMI。多相PWM控制使输入电流有效值减小,可提高效率。在有效瞬态响应模式下,相位是按时间分布的,所获得的电流斜率是所有相位斜率之和,因此可大大缩短调节时间(过渡时间),提高电源的快速瞬态响应能力。

3.2 板载电源

在低电压大电流电源应用中,由于每个板上的电源额定功率可以根据实际消耗的功率很容易地调整,电源的成本和体积就可以减小。因而板载电源已成为必然趋势,与标准电源模块相比,板载电源具有以下优势:

3.2.1 更强的负载调节能力:板载电源不存在电源输出与负载之间的互联电阻和电感,可以获得更好的直流和瞬态调节效果。

3.2.2 更高的效率:板载电源消除了电源连接器上的传导损耗,而且可以使用接地层和其它直流电源层传导直流电源,接地层和其它直流电源层的阻抗低于电源模块的阻抗,从而降低了PCB引线上的传导损耗,使电源具有更高的效率。

3.2.3 更好的散热管理:对板载电源而言,整个系统电路板起到了散热器的作用,因此,热点位置的温度要比电源模块上的低得多,从而提高了系统的长期可靠性。

3.2.4 更低的成本:板载电源的额定功率可以根据实际功率需要来确定,另外,它还节省了大电流连接器,在理想的瞬态调节能力下,仅使用单个或几个输出去耦电容,就能达到理想的性能要求,因此,与标准大功率电源模块相比,板载电源成本更低、体积更小。

3.3 同步整流和副边控制

在通信系统中,很多低电压大电流电源的输入引自背板的-48V电压,需要采用变压器耦合以实现电气隔离。这种电源的功率损耗主要来自次级整流器的传导损耗,使用同步整流技术可以大幅度降低次级整流器的传导损耗。需要注意的是,在某些工作条件下,自驱动同步整流技术还存在可靠性不太高的缺点,因此,在可靠性要求非常高的通信应用中,必须采用外部驱动技术。对变压器隔离电源而言,传统的稳压方式为初级控制方式,即输出电压的一部分(或全部)通过光耦合器传送给初级控制器,这种控制方式存在以下不足:一方面,使回路的带宽变得很窄(约为几kHz);另一方面,使电源的负载瞬态响应变得很慢。采用次级PWM控制可以消除上述不足。实验证明,采用次级PWM控制,在250kHz开关频率下,环路带宽可以达到50kHz,同时,负载瞬态响应也得到了明显的改善。


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