適合通信系統(tǒng)的低壓、大電流電源的現(xiàn)狀及展望

1 引言

為了處理日益增加的、更為復雜的適時計算，當今的通信系統(tǒng)采用了大量的高功率計算IC，包括CPU、FGPA(Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)和存儲器。對計算速度增長的需要促使時鐘頻率和供電電流的相應增加，有些設備的供電電流已經(jīng)超過100A。隨著供電電流的增加，而供電電壓卻反而呈下降的趨勢，這主要是因為計算設備此時可以用很好的線寬工藝來制造。此外，低電壓、大電流對功耗是十分敏感的，所以對于電源設計者來說，需要采用更先進的新器件、新技術、新材料、新工藝來逐步減小開關電源的體積和重量，改善電氣性能指標，提高工作可靠性，降低對電網(wǎng)的污染，消除對其它設備的干擾，增強智能化程度等是其基本發(fā)展方向。

2 通信電源設計面臨的挑戰(zhàn)

在當今的許多系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)里線路板的成本是最昂貴的。故而尺寸的限制，加上低成本和新技術挑戰(zhàn)的壓力，使低壓、大電流電源的設計成為通信系統(tǒng)設計中最難的任務之一。

2.1 穩(wěn)壓器的挑戰(zhàn)

由于供電電壓不斷降低，已經(jīng)達到1V，即使在電源干線上低到mV級的紋波，都可能給計算設備帶來很大的影響。而大電流是產(chǎn)生電壓紋波的主要根源，包括它在PCB板走線上，或在電源與CPU電源引腳間連接器上產(chǎn)生的10-50mV的電壓降。當輸出電壓在l-1.5V范圍內(nèi)時，這種電壓降就顯得更為重要。因此，就必須在正向輸出干線和輸出回路(或負向輸出)干線上進行電壓采樣。另外一個問題是現(xiàn)代的計算設備可以根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的命令不同而使供電電流瞬間改變，甚至高達20A。這樣大幅度的負載變化，伴隨著快速的電流轉換速率使電壓產(chǎn)生過沖。為了處理這些動態(tài)負載和減小輸出電容，必須采用具有極其快速瞬態(tài)響應的電源。

2.2 散熱的挑戰(zhàn)

隨著系統(tǒng)復雜性的增加，系統(tǒng)封裝的密度也相應增大。散熱成為系統(tǒng)硬件設計者必須面對的挑戰(zhàn)之一。同時，對電壓的穩(wěn)定性要求苛刻的高性能的計算設備還要求對它供電的電源進行管理。因此，減小電源的功耗，排除PCB和功率器件上的過熱點是非常重要的，這可以避免為已經(jīng)很熱的計算設備增加熱量。

2.3 輸入噪聲的挑戰(zhàn)

由于在許多通信子系統(tǒng)中，負載電源的分布總線通常使用3.3V，3.3V總線上的噪聲必須減小，以確保從電源總線上獲得功率的邏輯設備正確工作。由于在降壓開關電源中輸入電流存在波動，這就需要大量的輸人電容或LC濾波器用以濾除輸入噪聲。這樣的濾波電路通常會由于輸出電流的增加或輸人電壓的降低而使體積和成本增加。

2.4 低成本要求的挑戰(zhàn)

成品的電源模塊，如“磚型模塊”是非常昂貴的。此外，標淮電源模塊對大多數(shù)應用而言，都遠遠超過實際所用電源的指標要求。因此，定制一種模塊會花費時間和額外的費用，系統(tǒng)設計者應尋找其他節(jié)省成本的電源。

3　通信電源設計新技術

3.1　多相技術

為提高電流容量,傳統(tǒng)的單相方案采用多個MOSFET并聯(lián),再用一個龐大的電感器濾波,這種方法一方面會導致在MOSFET上產(chǎn)生較大的開關損耗,且在電感器和MOSFET焊盤上引起電流堆積,影響PCB板的可靠性；另一方面,由于效率與開關頻率都很低,必須使用大輸出電感器,使瞬態(tài)響應變慢。多相拓撲結構基于現(xiàn)有的單相結構之上,能有效解決單相結構中較大的紋波電壓和較慢的瞬態(tài)響應之間的矛盾,非常適合低電壓大電流精密電源的設計。多相技術的主要優(yōu)點：

3.1.1紋波電流的消除使輸人電容、輸出電感和輸出電容的體積及成本降低。

3.1.2輸人紋波電流的消除減少了輸人噪聲，這對于3.3V分布式總線的應用更具有吸引力。

3.1.3可達到更快的負載瞬態(tài)響應。因為并聯(lián)輸出電感可以改善瞬態(tài)響應，比較小的等效電感可以提高輸出電流的轉換速率。

3.1.4可獲得更高的效率。這是由干多相技術有較低的開關損耗和一致的電流分布，這更有助于減少熱量，提高整個系統(tǒng)的可靠性。下圖是一個兩相PWM控制的DC/DC變換器的示意圖。

圖1　兩相PWM控制的DC/DC變換器的示意圖

一般來說相對于普通的單相PWM控制，多相PWM控制DC/DC變換器增加了一個或多個變換器，而且每個變換器的相位相對有一定間隔，如上圖的兩相PWM控制變換器的兩個變換器ON/OFF相對間隔為180°。工作中功率被平均分配到兩個通道中，從而減小了各相承擔的電流，避免了開關管、整流管、輸出電感等器件過于疲勞，發(fā)熱過于集中。并且由于通道之間交叉開閉，電流相互疊加，大大減少了輸入、輸出電流紋波，減小電磁干擾EMI。多相PWM控制使輸入電流有效值減小，可提高效率。在有效瞬態(tài)響應模式下，相位是按時間分布的，所獲得的電流斜率是所有相位斜率之和，因此可大大縮短調(diào)節(jié)時間(過渡時間)，提高電源的快速瞬態(tài)響應能力。

3.2　板載電源

在低電壓大電流電源應用中,由于每個板上的電源額定功率可以根據(jù)實際消耗的功率很容易地調(diào)整，電源的成本和體積就可以減小。因而板載電源已成為必然趨勢,與標準電源模塊相比,板載電源具有以下優(yōu)勢：

3.2.1　更強的負載調(diào)節(jié)能力：板載電源不存在電源輸出與負載之間的互聯(lián)電阻和電感,可以獲得更好的直流和瞬態(tài)調(diào)節(jié)效果。

3.2.2　更高的效率：板載電源消除了電源連接器上的傳導損耗,而且可以使用接地層和其它直流電源層傳導直流電源,接地層和其它直流電源層的阻抗低于電源模塊的阻抗,從而降低了PCB引線上的傳導損耗,使電源具有更高的效率。

3.2.3　更好的散熱管理：對板載電源而言,整個系統(tǒng)電路板起到了散熱器的作用,因此,熱點位置的溫度要比電源模塊上的低得多,從而提高了系統(tǒng)的長期可靠性。

3.2.4　更低的成本：板載電源的額定功率可以根據(jù)實際功率需要來確定,另外,它還節(jié)省了大電流連接器,在理想的瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力下,僅使用單個或幾個輸出去耦電容,就能達到理想的性能要求,因此,與標準大功率電源模塊相比,板載電源成本更低、體積更小。

3.3　同步整流和副邊控制

在通信系統(tǒng)中,很多低電壓大電流電源的輸入引自背板的-48V電壓,需要采用變壓器耦合以實現(xiàn)電氣隔離。這種電源的功率損耗主要來自次級整流器的傳導損耗,使用同步整流技術可以大幅度降低次級整流器的傳導損耗。需要注意的是,在某些工作條件下,自驅動同步整流技術還存在可靠性不太高的缺點,因此,在可靠性要求非常高的通信應用中,必須采用外部驅動技術。對變壓器隔離電源而言,傳統(tǒng)的穩(wěn)壓方式為初級控制方式,即輸出電壓的一部分(或全部)通過光耦合器傳送給初級控制器,這種控制方式存在以下不足：一方面,使回路的帶寬變得很窄(約為幾kHz)；另一方面，使電源的負載瞬態(tài)響應變得很慢。采用次級PWM控制可以消除上述不足。實驗證明,采用次級PWM控制,在250kHz開關頻率下,環(huán)路帶寬可以達到50kHz,同時,負載瞬態(tài)響應也得到了明顯的改善。

4 當前研究熱點

4.1 減小功率晶體管開關損失可以采取的措施

4.1.1 回能吸收電路：是將緩沖電容上的儲能返回電源或負載，或稱為無損吸收電路。

4.1.2 有源箱位:是將電容器上的儲能，由功率晶體管操作，在所需時間加以利用。

4.1.3 MOSFET與IGBT并聯(lián)運行:利用了IGBT通態(tài)壓降小、入們SFET關斷速度快的優(yōu)點組合成一個性能優(yōu)良的等效開關器件，此方法可應用于各種電路。IGBT工作在軟關斷狀態(tài)，但電路屬硬開關性質(zhì)，可用回能吸收電路減小MOSFET的關斷損耗。由于其輔助電路簡單，只要驅動脈沖配合好，不論在滿載或空載，兩管的工作都能自動適配，負載電流小時兩管電流同時減小。MOSFE中沒有過大的峰值電流，可靠性高。沒有像零電壓開通(ZVS)和零電流轉移(ZCT)諧振電路所有的幾乎是固定的對應于近于兩倍額定負載分量的峰值電流。

4.1.4 零電壓開通(ZVS)和零電壓轉換(ZCT)：主開關管并聯(lián)一個吸收電容器，減小關斷損耗，相當于回能吸收電路;ZVS工作過程是先將電容電壓放電到零，再開通主開關管。ZVT是指在主開關管兩端并聯(lián)一個諧振電感與輔助開關管串聯(lián)通路，來實現(xiàn)零電壓開通的電路。

4.1.5 零電流關斷(ZCS)和零電流轉換(ZCT)：ZCS是指先將主開關管的電流減小到零，再關斷主開關管;ZCT是指在主開關管兩端并聯(lián)一個諧振電容器、諧振電感與輔助開關管串聯(lián)通路，來實現(xiàn)零電流關斷的電路。

近年來學術界、科技界對零電壓開通(ZVS)和零電壓轉換(ZCT)及零電流關斷(ZCS)和零電流轉換(ZCT)兩項內(nèi)容的多種電路做了大量研究，是目前的研究熱點。

4.2 通信用開關電源的主要方案

大功率通信用整流器中的直流(DC/DC)變換器部分大多以脈寬調(diào)制(PWM)、移相橋為主。目前主要拓撲如下：

4.2.1雙管正激和雙正激變換器：后者常由兩個雙管正激組成，雙管正激由于具有不會出現(xiàn)共態(tài)導通、不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的直流磁化、易從空載到滿載運行、技術問題少、可靠性良好等優(yōu)點而最早受到重視。但雙正激要多用二極管、變壓器、電感等器件。雙正激變換器在功率不大時也可加以簡化。

圖2　雙管正激DC/DC變換器電路拓撲

變壓器T起隔離和變壓作用，輸出端的續(xù)流電感L0起能量的傳輸和傳遞作用，由于D1、D2的導通限制了兩個調(diào)整管關斷時所承受的電壓，變壓器初級無需再有復位繞組。D3是一個整流二極管，D4是一個續(xù)流二極管（其中D3、D4均要求選用恢復時間快的二極管）。輸出濾波電容C0應選擇低ESR（等效電阻）大容量的電感，從而有利于降低紋波電壓。與單端正激相比，無需復位電路，有利于簡化變壓器的設計；對功率器件的耐壓等級要求低；兩個開關管工作狀態(tài)一致，使得在大功率電源的設計中開關管的選擇較容易。

雙管正激變換器由于磁芯復位的需要，占空比必須小于50％，從而造成了在大功率場合，變壓器次級的高壓給高頻整流二極管的選擇較困難。通常的采用串聯(lián)多個二極管來解決均壓問題，但難以解決動態(tài)均壓。而有兩個雙管正激變換器組成的雙正激變換器能夠較好的解決高頻二極管的動態(tài)均壓問題。

4.2.2 半橋變換器電路與典型的雙正激相比器件較少，也可以用兩個半橋電路在輸入側串聯(lián)，承受高輸入電壓，合用一個有兩個初級繞組的變壓器，組成復合半橋變換器，用于大功率。現(xiàn)在由于開關管的關斷速度快了，共態(tài)導通問題容易解決。采用電流控制型芯片控制時的上下兩管出現(xiàn)的不對稱，也能妥善解決，可靠性能夠保證，應用日見普遍。

圖3　半橋DC/DC變換器電路拓撲

變壓器起到隔離很傳遞能量的作用，工作時變壓器原邊承受的電壓為輸入電壓的一半。由于兩個MOS管是交替打開的，所以兩組驅動脈沖的相位相差應大于180°，故存在一定死去時間。此電路減小了原邊調(diào)整管的電壓應力，是目前比較成熟和常見的電路。

以上方案采用PWM控制，容易實現(xiàn)負載在寬范圍(例如含輕載和空載)內(nèi)變化條件下可靠運行。

4.1.3 移相全橋變換器：用移相控制來實現(xiàn)PWM原理調(diào)節(jié)輸出電壓，在不增加功率晶體管情況下就可實現(xiàn)ZVS具有相當高的效率。但基本電路在輕載和空載時，零電壓轉換有困難，可靠性降低。幸而大系統(tǒng)的通信電源負載電流變動較小，且多臺并聯(lián)運行，可調(diào)整運行臺數(shù)，避免輕載運行。

圖4　移相調(diào)寬橋式變換器主電路

移相調(diào)寬全橋變換電路實現(xiàn)了功率器件的零電壓開通和準零電壓關斷，克服了硬開關模式所固有的缺陷，損耗降低，效率更高。實踐表明容性開通和二極管反向恢復所產(chǎn)生的短促電流脈沖，幅值高，頻譜寬，是干擾的主要來源。零電壓開通模式消除了這個主要干擾源，使干擾電平大為降低?；谝陨蟽蓚€主要優(yōu)點，移相全橋變換電路拓撲特別適宜做大功率的DC/DC變換器。

5 低壓大電流電源設計實例

圖5　帶有軟開關的同步整流的有源箝位正激變換器

圖5是一個帶有軟開關技術、同步整流技術的有源箝位ZVS正激變換器拓撲，它不但輸出電壓低，而且最重要的特點就是最大限度的提高了電路的效率。它的工作輸入電壓為50V，輸出電壓5V，開關頻率120KHz。變換器的原邊主要有主開關管Q1和輔開關管Q2，它們可實現(xiàn)有源箝位的功能，副邊的續(xù)流開關管Q4能夠一直工作在ZVS條件下，不論與其串聯(lián)的MOS管Q3是在零電壓和零電流下打開還是在ZVS下關斷，因而，最大程度的提高了電源的轉換效率。

副邊的磁放大器通過把變壓器的勵磁電流提供給副邊，而確保主開關管Q1實現(xiàn)ZVS工作狀態(tài)，并且允許同步整流管Q3在ZCS條件下開通，因而可以進一步提高電路的工作效率。和一個標準的帶有同步整流的有源箝位正激變換器（ACFC）相比，上述電路多了一個磁放大器，而正是磁放大器抑制了di/dt，并且減小了二極管D3的反向恢復損耗。變壓器可以通過箝位電容Cc1 復位，而有源箝位MOS管Q2通過門極觸發(fā)脈沖比Q1的前后短延時來開關，起到了對Q1工作的互補作用。通過調(diào)整4個MOS管門極觸發(fā)脈沖的時延就可以實現(xiàn)同步整流軟開關。在延時期間，副邊MOS管的體二極管是導通的，因而，Q4的開通和關斷是在零電壓條件下，而Q3是開通在ZVS/ZCS，關斷在ZVS條件下。當然為了減小體二極管的導通損耗和反向恢復損耗，整個變換器的頻率相對來說較低，只有120KHz。

6 展望

從目前來看，利用板載電源的設計技術和多相工作技術可以滿足通信系統(tǒng)中所需要的低電壓、大電流電源的要求?？傊c傳統(tǒng)方法相比降低了成本，并可以得到更好的性能。對于有隔離的電源，同步整流和副邊控制技術也正由于它們的效率高和快速瞬態(tài)響應的特性而被普遍采用。

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