采用負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)提高機(jī)頂盒設(shè)計(jì)的性能

有線電視和衛(wèi)星廣播內(nèi)容提供商正在不斷向激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)推出新業(yè)務(wù)。這些新業(yè)務(wù)包括互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻點(diǎn)播、支持 DVD/CD 播放器和硬盤驅(qū)動(dòng)器等，這正在使簡(jiǎn)單的機(jī)頂盒(STB)逐步發(fā)展成為功能強(qiáng)大的家庭網(wǎng)關(guān)。這些先進(jìn)的機(jī)頂盒在家中形成了一個(gè)局域網(wǎng)(LAN)。因此，機(jī)頂盒一般有以太網(wǎng)或 火線端口，或采用其它通信方式，甚至可能是藍(lán)牙。這些更加復(fù)雜的機(jī)頂盒反過來又需要消耗更多功率。隨著這些系統(tǒng)消耗功率的提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)于溫度上升、產(chǎn)品上市時(shí)間、效率、監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)、成本、上電順序和功率因數(shù)校正(PFC)等問題也越來越擔(dān)憂了。

　　消除這些擔(dān)憂的一種方法是將電源架構(gòu)從傳統(tǒng)的多路輸出反激式電源改為較高性能、更加靈活并具有負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器的分布式電源架構(gòu)。目前大多數(shù)機(jī)頂盒采用離線式多路輸出反激式電源架構(gòu)。這些電源提供 30W 功率，轉(zhuǎn)換效率最高為 65%。先進(jìn)的機(jī)頂盒電源采用單一分布式直流電壓(如12V)提供高達(dá) 65W 功率，并采用下游負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器，整體轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 80%。

　　內(nèi)容提供商提供的服務(wù)決定了機(jī)頂盒的特點(diǎn)，如處理器功耗、調(diào)制解調(diào)器速度、傳輸介質(zhì)、是否包括 DVD 播放器或硬盤驅(qū)動(dòng)器以及 I/O 端口數(shù)量。機(jī)頂盒的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)是基于外部設(shè)備計(jì)算機(jī)接口(PCI)總線，從表面看與筆記本式 PC 類似。不過，盡管 PC 架構(gòu)全世界相同，但是不同地區(qū)甚至不同制造商的機(jī)頂盒架構(gòu)變化卻很大。當(dāng)然，由于消費(fèi)者的需求容易改變，因此隨著服務(wù)的不斷變化，機(jī)頂盒配置也在不斷變化之中。功能決定對(duì)電源的要求，而且唯一明顯的趨勢(shì)是系統(tǒng)功耗在提高。服務(wù)提供商之間的競(jìng)爭(zhēng)和地區(qū)差別意味著，讓機(jī)頂盒按時(shí)上市有相當(dāng)大的壓力。由于電源設(shè)計(jì)導(dǎo)致延遲交貨是無法容忍的，因?yàn)檫@可能丟失市場(chǎng)份額。

　　機(jī)頂盒電源要求在設(shè)計(jì)周期后期發(fā)生變化是常見的。然而，最不希望發(fā)生的事情就是由于電源而推遲機(jī)頂盒的開發(fā)進(jìn)度，但是如果需要采用離線式多路輸出反激式電源，就有可能發(fā)生這種情況。設(shè)計(jì)這樣一個(gè)電源并在安全性和 EMI 性能方面獲得監(jiān)管當(dāng)局批準(zhǔn)可能需要 6 到 9 個(gè)月時(shí)間，甚至長(zhǎng)達(dá)一年。采用多路輸出反激式設(shè)計(jì)，后期變化可能導(dǎo)致必須長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)設(shè)計(jì)磁性元件。因此，在某些情況下，絕望的設(shè)計(jì)師會(huì)增加二極管壓降，以適應(yīng)最后出現(xiàn)的輸出電壓或電流需求的變化。

　　標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)售交流輸入(90V 至 26?V 交流)單輸出電源的優(yōu)點(diǎn)是采用安全部門和 EMI 監(jiān)管當(dāng)局批準(zhǔn)的電源。這些電源用 3.3V 至 48V 的單一輸出電壓實(shí)現(xiàn)高達(dá) 90% 的電源轉(zhuǎn)換效率。另外，標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)售單輸出電源價(jià)格不貴，提供幾種尺寸，大批量生產(chǎn)，適合很多應(yīng)用。使用這種電源可以將開發(fā)周期縮短 6 個(gè)月。即使功率最大值提高也沒關(guān)系，因?yàn)榭紤]到可能需要更高功率，設(shè)計(jì)師從開始伊始就可以計(jì)劃出 20% 至 30% 的冗余量，這不會(huì)提高很多成本或占用很多電路板面積。

圖1：在 7V至24V電源范圍內(nèi)工作的雙路 3.3V/2.5V輸出LTC3850應(yīng)用原理圖。

　　功率因數(shù)校正是影響機(jī)頂盒電源的另一個(gè)問題。IEC/EN61000-3-2 規(guī)范對(duì)輸入功率大于等于75W的供電系統(tǒng)有諧波電流幅射的限制。實(shí)際上，輸入功率超過 75W 時(shí)，這個(gè)規(guī)范要求額外的電路。效率為 65% 的多路輸出反激式電源可在不需要額外功率因數(shù)校正電路時(shí)提供 49W 的最大輸出功率。效率達(dá) 90%的分布式電源與效率為 90% 至 95% 的下游負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器結(jié)合起來無需功率因數(shù)校正電路就可提供 60W 至 6?W 功率。較高效率的明顯好處是減少熱量、減少通風(fēng)要求并延長(zhǎng)平均故障間隔(MTBF)時(shí)間。

　　凌力爾特公司提供了完整的高效率同步負(fù)載點(diǎn) DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品，包括模塊、單片電路和控制器。LTC3850是最近推出的雙輸出負(fù)載點(diǎn) DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，能以 95% 的效率將 12V 轉(zhuǎn)換成 5V/5A，或以 92% 的效率將 12V 轉(zhuǎn)換成 3.3V/5A以及以 91% 的效率將 12V 轉(zhuǎn)換成 2.5V/5A。

　　LTC3850 是一個(gè)雙路輸出同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，可以驅(qū)動(dòng) 所有N 溝道功率MOSFET 級(jí)電路。其 4V 至 24V 的輸入范圍適用于多種應(yīng)用，其中包括大多數(shù)中間總線電壓應(yīng)用。強(qiáng)大的片上驅(qū)動(dòng)器允許使用大功率外部 N 溝道 MOSFET，可以輸出0.8V 至 5.5V的電壓，同時(shí)提供高達(dá) 20A 的輸出電流。

雙路輸出、具有DCR檢測(cè)功能的5A穩(wěn)壓器

圖 1所示是一種基于 LTC3850 的電路，該電路在 7V 至 24V 的輸入范圍內(nèi)工作，開關(guān)頻率為 530kHz，無需電流檢測(cè)電阻，提供 2.5V/5A 和 3.3V/5A 的獨(dú)立輸出。通過將電感器的直流電阻用作電流檢測(cè)單元，該應(yīng)用電路在滿負(fù)載電流時(shí)消耗可能最低的功率。效率高于 90%，效率曲線如圖2所示。

圖2：圖1電路的效率曲線。