通信系統(tǒng)電源設計的拓撲架構
現代電信系統(tǒng)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(tǒng)提供dc電壓和電流的電源設計，正在從傳統(tǒng)形式轉變到新的技術形態(tài)，基于dc-dc變換器的新一代電源系統(tǒng)必須工作在寬輸入電壓范圍，有時達到30~100V。同時，電源系統(tǒng)為高性能通信系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)生空間受限制和熱管理是主要考慮的環(huán)境中。
為了滿足這些要求，電源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)，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(wěn)壓器(降壓或升壓穩(wěn)壓器)和線性穩(wěn)壓器的組合或僅是線性穩(wěn)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(wěn)壓器，而高效率開關穩(wěn)壓器是必須有最小功耗的電源系統(tǒng)的選擇。
-48V電信分布電源系統(tǒng)
圖3示出電信應用的-48V分布電源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)
可以用集中和分布單元的組合設計電源系統(tǒng)，如圖4所示的混合電源系統(tǒng)。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(wěn)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(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器兩種。線性穩(wěn)壓器的優(yōu)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(wěn)壓器具有較高的效率，可高達95%(線性穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(zhí)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(wěn)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(tǒng)(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(yōu)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。
