现代通信系统电源设计

作者：美国国家半导体公司电源产品市场部战略市场经理 Donald Ashley

　通信基础设备使用的各种电源系统元件有很多种，从前端的功率因子校正 (PFC) 交流/直流电源到后端的高效直流/直流模块（块）和负载点 (POL) 转换器都有。现代通信直流/直流电源的应用，从需要很高效率的中间总线式转换器 (IBC)，到那些日趋细小轻巧的语音 IP (VoIP) 数字电话，以及要求多路紧密调节电压（7 路至 13 路输出）的数字用户线 (xDSL)电源等，范围很广泛。

　中低功率应用（15W-100W)通常使用低成本的单端正向或回扫拓扑结构来设计这些电源模块，而推挽式、半桥和全桥拓扑结构在功率更高的应用 (100W-1000W+) 中很流行。中间总线架构 (IBA) 是一种新型分布式总线标准，它利用一种低成本的非稳压（开环）中间总线式转换器 (IBC) 将–48V 通信总线转换到 +12V 中间总线，从而通过使用低成本的负载点(POL)模块简化板上电源设计。

　美国国家半导体公司最近发布了一系列新的高压电源转换数字特殊应用集成电路（ASIC），即 LM5000 系列，该系列提供了多种脉冲宽度调制（PWM）控制器驱动器芯片组，用于这些最新而先进的电源系统设计中。这些芯片能承受高达 100V 的输入电压，满足了通信系统电压瞬态规范的应力限制。它们工作于超过 1MHz的开关频率，与现有的解决方案相比，提高了电源效率，并成为众多电源应用的基准。该系列从低成本的中功率正向拓扑结构（使用 LM5025 电压模式有源钳位PWM 控制器），到中功率 IBA 转换器（使用 LM5033 半桥或推挽 PWM），再到最先进、功率最高的级联式电流馈电拓扑结构（由 LM5041 和 LM5100 控制器驱动器芯片组支持），覆盖了所有的功率级别。

　新型 IBA 电源系统方法需要两级转换：首先是非稳压隔离级，然后是多个紧密调节的负载点板上安装的直流-直流电源模块。隔离级（称作中间总线转换器）的拓扑结构一般是开环、非稳压、自由运行“直流变压器”，被选择用来隔离和降低总线电压，同时保证低成本和高功率转换效率（大于 95%)。双输出 LM5033 PWM 控制器和 LM5100 半桥驱动器构成一个理想的芯片组解决方案，能将这些中间总线转换器设计中需要的外部元件成本和数量降至最低。

图 1 以典型的通信电源总线转换器设计中的 LM5033/LM5100 芯片组为例，在该设计中，40-60V 输入总线电压通过一个隔离变压器，向下转换至 10-15V 中间总线电压，并分配至下游安装在板上的负载点模块中。通过维持LM5033 双控制器的输出在一个恒定的 50% 占空比，实现了最高的电源效率，这样做降低了开关 FET 和同步整流器上的电流和电压应力，同时改善了变压器的线圈使用率。

图 1LM5033 中间总线转换器

　IBA 两级架构的竞争对手是更传统、使用回归或正向拓扑结构的单级隔离电源。与那些用于IBA 方法的紧密调节负载点模块相比，这些电源虽然提供了富有竞争力的成本和电源效率，但很难在多个输出维持良好的稳压。

　与标准的正向转换器相比，有源钳位正向转换器提供了更高的效率，而且在中功率应用 (50-200W) 中更受欢迎。有源钳位正向转换器部署了一个有源复位 FET 和电容器，在损耗最低的情况下使核心复位。钳位电容器捕获磁化能量和释放能量，并把它们返回源极，从而提高了电源转换效率。

　图 2 描绘了典型的48V 单级通信电源设计中的 LM5025 有源钳位正向控制器，其工作输入电压范围是 36 至 75V，额定输出在 3.3V 时可高达 100W。该控制器的两路输出直接驱动 N 通道功率金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET）和 P 通道复位 MOSFET。这两路驱动器输出的大小不同，主输出产生较大的 3Apk 门极驱动，其目的是迅速开关大功率 MOSFET 以便降低开关损耗。复位 MOSFET 的输出要小得多，这是因为它只传导磁化电流，因此门极驱动器的大小仅为 1Apk。要实现最高的效率，两路门极驱动器输出之间的时序延迟就甚为关键，而 LM5025 控制器就具备了这样的一个可编程功能。

　对于输出电压较低的应用方面，就有必要使用同步整流器以实现较高的整体电源效率。有源复位方案适合使用同步整流器，这是因为同步整流器可以直接通过次级变压器自我驱动，如图所示。

图 2LM5025 正向有源钳位转换器

图中文字的译文：up/down sync — 向上/向下同步

图 3 展示了 LM5041 级联式控制器和 LM5100 半桥驱动器组合而成的芯片组，用于设计双级级联式降压馈电转换器。该转换器包含一个高压降压前级稳压器，用于在推挽电源变压器级维持一个固定的电压，这个变压器级被用作“直流变压器”，类似前文所述的 IBC。通过设置变压器匝数比，将预稳压电压降至最终的输出电压。目前生产的级联式转换器能进行紧密的线路稳压，其线路输入电压范围宽达 4:1 甚至更高。它还能提供令人印象深刻的输出负载瞬时响应，同时消除了输出滤波器电感器和电流传感电阻器，这是降低成本和复杂性的另一个优点。它的输出电路具备回扫稳压器的简单性和其它优点。输出滤波电感器的删除，缩短了加载阶跃变化的延迟，并且引起电压回路错误的电感器也不存在了。推挽直流变压器持续在精确的50%占空比上躯动，从而产生连续不断的电力流至输出端。这样做不但使隔离变压器核心的使用率最佳化，同时也降低了输出元件的应力和干扰，使级联拓扑结构非常适合于高输出功率的应用。

图 3LM5041 电流馈电推挽转换器

图中文字的译文：buck stage — 降压级push-pull stage — 推挽级output inductor removed —输出电感器已删除buck out cap removed — 降压输出电容器已删除

图 4 展示了推挽 MOSFET 漏极波形和降压级开关节点 (Vsw)。当两个漏极均为低电平时，交迭时间便会显示出来。推挽级的工作切换频率是降压级的一半。

图 4电流馈电推挽的波形

图中文字的译文：

trace 1: Push_Pull XFR Side A -- 1 号迹线：推挽 XFR 的 A 侧

trace 2: Push_Pull XFR Side B -- 2 号迹线：推挽 XFR 的 B 侧

trace 3: Push_Pull XFR Side A -- 3 号迹线：降压级开关节点

Note: there … -- 注意：存在一段推、拉开关同时开通的交叠时间。这是保持感应器电流路径所必需的。

图 5 展示了双级多输出数字用户线 (DSL) 的电源应用，它使用了由 LM5030 推挽控制器驱动的一个功率较低的多输出隔离变压器，加上 LM5642 双输出电流模式降压控制器。该电源提供了线路驱动器和放大器的两种模拟电压（典型值为 +/-12V)，以及数字 ASIC 所需的几种较低电压（+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V)。LM5030 被用作推挽转换器的中心部件，把 48V 输入电压转换成 +/-12V，同时提供电绝缘。LM5642 控制器构成负载点同步降压转换器，接收来自中间总线轨的+12V电力，并产生用于 xDSL 卡电子器件的多路低压输出。高性能双输出 LM5642 降压控制器的每条通道只需要一对 FET、一个小型输出电感器和输出电容器，以及几个电阻器和电容器，构成了高效率、低成本的 IBA 解决方案。

图 5xDSL 中间总线功率转换器

图中文字的译文：Inrush protection—涌入电流防护LM5030 push-pull converter—LM5030 推挽转换器synchronization—同步sequencing—定序dual synchronous buck controller 双同步降压控制器

下面的表 1 列出了美国国家半导体公司的一些新型高压 ABCD（模拟双极 CMOS DMOS）技术系列，它们具有充足的击穿电压，有利于简化通信电源转换器的设计。被称为 ABCDXV1 和 ABCDXV2的两种新技术增强了 N 通道 DMOS 功率晶体管、高压 PMOS 器件和结隔离二极管的击穿电压，使它们能够承受高达 100V 的直流输入工作电压范围，以便满足通信电力系统标准中的瞬态电压规范。这两种新型平台（XV1 和 XV2）是建基于现有的 45V ABCD150 技术平台（应用在流行的 SimpleSwitcherTM 降压稳压器的大批量生产中），并分别提供 80V 和 100V 击穿电压。

表 1高压 ABCD 技术

三种技术的基本特性和应用概括如下：

　利用美国国家半导体公司最近提供的 LM5000 系列中的多种新型高压高性能电源管理 IC 芯片组，可以迅速组装许多具有挑战性的通信用分布式电源总线架构和转换器拓扑结构。从这多种产品中挑选用于电源设计的产品时，需要考虑的平衡因素包括输入电压范围、预期输出数量、整体系统电源效率要求，以及允许的卡的尺寸和面积大小。现代的先进高压工艺技术促进了 PWM 控制器、开关稳压器和功率 MOSFET 门级驱动器的进步，现在这些元件可以被迅速组装，构成轻巧而高效的直流-直流电源模块。