通信系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)、趨勢(shì)與應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)在的通信系統(tǒng)電源面臨穩(wěn)壓、散熱、輸入噪聲和成本等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而板上電源設(shè)計(jì)和多相方法可以解決通信系統(tǒng)中低電壓大電流電源的設(shè)計(jì)困難，滿足成本和電性能要求。

為了處理日益復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算，今天的通信系統(tǒng)需要采用許多大功率計(jì)算集成電路，如CPU、FPGA和存儲(chǔ)器等。計(jì)算速度越來越高使得時(shí)鐘頻率和電源電流不斷提高，有些器件需要的電流已經(jīng)超過了100A。一方面電源電流在不斷增加，另一方面由于計(jì)算器件采用更為精細(xì)的線寬制造工藝，電源電壓則已下降到將近1V。低電壓大電流容易導(dǎo)致功率損耗，因此線性調(diào)節(jié)器已不適合用于這類電源中，可以采用高性能開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效率電源設(shè)計(jì)。

存在的問題

與當(dāng)今很多系統(tǒng)一樣，通信系統(tǒng)電路板單位面積成本越來越高。尺寸約束再加上要求成本更低的壓力以及新技術(shù)難題，使得低電壓大電流電源成為通信系統(tǒng)中最為困難的設(shè)計(jì)任務(wù)之一。設(shè)計(jì)中主要面臨下面一些技術(shù)問題：

◆ 穩(wěn)壓

由于電源電壓下降到1V，供電線路中即使低至50mV的細(xì)微電壓波動(dòng)也有可能對(duì)計(jì)算器件性能造成干擾，因此必須進(jìn)行嚴(yán)格的直流穩(wěn)壓。大電流輸出是電壓波動(dòng)的一個(gè)主要原因，如PCB線路上或電源輸出與CPU電源管腳之間連接器上的10～50mV電壓降。當(dāng)輸出電壓在1V～1.5V范圍內(nèi)時(shí)，這些電壓降的影響很嚴(yán)重，故而需要在電壓輸出線(正線)和電源回路線(負(fù)線)上進(jìn)行遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)。

另一個(gè)問題是在執(zhí)行不同系統(tǒng)命令時(shí)，先進(jìn)計(jì)算器件的瞬時(shí)供電電流變化可達(dá)20A以上，如此大幅度負(fù)載跳變?cè)偌由虾芨叩碾娏鬓D(zhuǎn)換速率會(huì)導(dǎo)致電源電壓下降或調(diào)節(jié)過度，所以電源必須具備極快的瞬態(tài)響應(yīng)才能處理這類動(dòng)態(tài)負(fù)載，并使輸出電容器件尺寸盡可能小。

◆ 散熱

由于封裝密度隨系統(tǒng)復(fù)雜度增加而增加，散熱成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)師必須面對(duì)的一項(xiàng)更加困難的挑戰(zhàn)，同時(shí)高性能計(jì)算器件對(duì)電壓調(diào)節(jié)的嚴(yán)格要求還需要電源位置與它盡量靠近。因此應(yīng)將電源功耗降到最小并消除PCB和電源器件中的發(fā)熱部位，避免使已經(jīng)很熱的計(jì)算器件溫度再度增加，這一點(diǎn)是非常重要的。

◆ 輸入噪聲

隨著3.3V成為許多通信子系統(tǒng)的主要供電電壓，必須對(duì)3.3V電源線上的噪聲進(jìn)行抑制，以確保從該電源線獲得電源供應(yīng)的邏輯器件能夠正確工作。由于降壓開關(guān)電源中輸入的是脈動(dòng)電流，所以需要一個(gè)大電容或大LC濾波器來濾除輸入噪聲，濾波器的體積和成本一般隨輸出電流的增加和輸入電壓的降低而增大。

◆ 成本

現(xiàn)有的電源模塊通常很貴，且對(duì)于大多數(shù)實(shí)際電源應(yīng)用需求而言，標(biāo)準(zhǔn)電源模塊性能常常又超過要求。而定制模塊設(shè)計(jì)又需要一定時(shí)間，還會(huì)增加額外的成本，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要尋求其它方案來降低成本。新技術(shù)趨勢(shì)

為了解決這些設(shè)計(jì)中的困難和挑戰(zhàn)，通信系統(tǒng)應(yīng)用的低電壓大電流電源設(shè)計(jì)出現(xiàn)了下面一些新趨勢(shì)。

◆ 板上電源(on-board power supply)逐漸流行

由于每個(gè)板上電源的額定功率可以很容易地根據(jù)實(shí)際功率需求來確定，因此它們的成本和體積可以降到最低。同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)電源模塊相比，板上電源在技術(shù)上還有下面的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

負(fù)載調(diào)節(jié)更加理想。板上電源消除了電源輸出與負(fù)載之間的互連電阻和電感，可以取得更理想的直流和瞬態(tài)調(diào)節(jié)效果。

效率更高。這種方案消除了電源連接器上的傳導(dǎo)損耗，此外板上電源可以使用接地層和其它直流電源層傳導(dǎo)直流電流，因?yàn)檫@些系統(tǒng)層