應(yīng)用于通信系統(tǒng)的分布式電源設(shè)計(jì)要求
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時(shí)間：2012-01-16
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
隨著現(xiàn)代集成電路生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，超大規(guī)模集成電路所需硅片的面積越來(lái)越小，集成度也越來(lái)越高，依據(jù)IC業(yè)界的摩爾定律這一趨勢(shì)仍然在繼續(xù)。以最具有代表性的美國(guó)INTEL公司的奔騰系列處理器芯片為例，從剛開(kāi)始的Pentium到現(xiàn)在的Pentium 4微處理器，在短短的不到十年的時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)工藝從0.35um將發(fā)展到65nm，集成度從幾十萬(wàn)門(mén)到上億萬(wàn)門(mén)晶體管，時(shí)鐘頻率從MHZ提升到GHZ，增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，供電電壓從當(dāng)初的5V下降到現(xiàn)在1.8V，甚至更低，然而所需電流卻大幅增加。這種低電壓/大電流的發(fā)展趨勢(shì)必然導(dǎo)致對(duì)芯片供電電源提出極為嚴(yán)格的要求，這些要求包括低內(nèi)阻、低紋波、高效率、軟啟動(dòng)、防浪涌、防開(kāi)關(guān)機(jī)過(guò)沖、支持熱插拔、提供冗余備份等，更嚴(yán)格的還會(huì)要求上/下電順序控制、在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等等，通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域由于大量采用集成芯片，這種要求更是顯得重要。
2 現(xiàn)代通信設(shè)備供電系統(tǒng)的發(fā)展
現(xiàn)代通信設(shè)備不論大型固定交換系統(tǒng)還是移動(dòng)通信或是專網(wǎng)的集群通信系統(tǒng)，它們的供電結(jié)構(gòu)一般都是以-48V或+24V集中供電。系統(tǒng)中會(huì)有一個(gè)或多個(gè)DC/DC模塊電源板，將DC供電匯流母排上的電壓轉(zhuǎn)換成線路板上的工作電壓。
2.1 通信系統(tǒng)供電方式的分類
從通信系統(tǒng)供電方式的發(fā)展歷程來(lái)看，主要經(jīng)歷了三種方式的演變：集中式供電、分層式供電和分布式供電。
2.1.1 集中式供電：用1個(gè)或1＋1備份方式的大功率電源提供整個(gè)系統(tǒng)的各種電壓的需求，此類供電方式已經(jīng)很少應(yīng)用。
2.1.2 分層式供電：先由大功率的AC/DC機(jī)柜電源提供統(tǒng)一的-48V或+24V集中供電到通信系統(tǒng)，而系統(tǒng)機(jī)架的每一層都有一個(gè)或幾個(gè)中功率電源板供電給本層線路板，所產(chǎn)生的電壓有一種或多種，并依據(jù)功率大小提供多種母線排。
2.1.3 分布式供電：同樣先由大功率的AC/DC機(jī)柜電源提供統(tǒng)一的-48V或+24V集中供電到通信系統(tǒng)，系統(tǒng)機(jī)架每塊線路板上各有一個(gè)或幾個(gè)小電源供電，將-48V或+24V的母線電壓直接轉(zhuǎn)換成線路板各自所需電壓。
2.2 三類供電方式的比較
在這3種供電方式中，集中式供電的造價(jià)最低，因?yàn)橄到y(tǒng)中只有一個(gè)電源，但它的可靠性最低，一旦出現(xiàn)故障，便會(huì)影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的正常工作；分布式供電的可靠性、靈活性高，因?yàn)槊繅K板上都有獨(dú)立的電源，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)不會(huì)受現(xiàn)有電源的功率及電壓所限制，而且具有相當(dāng)好的通用性，但價(jià)格方面要貴一些；分層式供電的性能和造價(jià)方面在前兩者之間，因此仍有相當(dāng)多的通信系統(tǒng)采用這一供電方式。目前各大通信運(yùn)營(yíng)商所采用的國(guó)內(nèi)外大型局用交換系統(tǒng)、移動(dòng)通信基站等主流運(yùn)行的通信系統(tǒng)大都采用分層供電結(jié)構(gòu)。有些廠商為了增加系統(tǒng)的可靠性，使用的電源板采取了1＋1備份方式，也有部分廠商采用了N+1冗余備份方式?？梢哉f(shuō)分層式供電是目前性價(jià)比最高的一種供電方式。
2.3 分布式供電是通信系統(tǒng)供電方式發(fā)展的必然趨勢(shì)
隨著對(duì)通信系統(tǒng)可用度要求的提高，需要采用更高可靠性的供電方式。使用分布式供電方式時(shí)，由于每個(gè)電源的功率較小，發(fā)熱量亦較低，加上電源的發(fā)熱量是平均散布在系統(tǒng)的機(jī)箱內(nèi)的，散熱比集中式供電更容易，效果更好，電源在低溫工作中更加可靠；而且電源的分散度越高，電源一旦發(fā)生故障所影響的范圍亦越小，系統(tǒng)也就越可靠。
隨著新一代數(shù)字芯片的出現(xiàn)，系統(tǒng)的工作電壓有降低的趨勢(shì)。為了提高芯片的運(yùn)行速度、降低功耗，12V及5V的使用開(kāi)始減少，而3.3V和2.5V甚至到達(dá)1.8V的使用則開(kāi)始增加。在這種趨勢(shì)下，因DC電壓配電的電阻所產(chǎn)生的電壓降，在低工作電壓時(shí)變得更明顯和難以克服。這時(shí)只有采用分布式供電方式，因?yàn)镈C/DC電源的分散度越高，工作電流越低，配電的電壓降也就越低，就適合低壓應(yīng)用了?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)越來(lái)越多的采用超大規(guī)模集成電路，目前主流的分層式供電方式已經(jīng)不能很好的滿足要求了。最理想的做法，便是每塊板有一個(gè)獨(dú)立的電源進(jìn)行供電，也即采用分布式供電方式。
另外，還由于通信需求發(fā)展的速度非常快，為了能夠跟上發(fā)展的速度，一個(gè)好的通信系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初，就必須要考慮到它今后的擴(kuò)充性，而將線路板的密度提高是一種非常簡(jiǎn)便的擴(kuò)充方式。在這種思路下，供電方式的選擇尤為重要。舉例而言，在一個(gè)SDH光傳輸系統(tǒng)中，一層機(jī)框有16塊光傳輸線路板，每塊線路板做了一路光收發(fā)電路。假設(shè)每塊線路板耗電為2A，則總耗電為32A，此時(shí)電源板若采用一個(gè)60A/300W的電源模塊能滿足要求，因此可以采用分層供電方式，但是隨著需求的增加，光路不夠了，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，就需要將線路板的密度提高，每塊線路板上要做2路或4路光收發(fā)電路。此時(shí)，耗電量一下子增加了2倍或4倍，分層供電的電源板已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，而且即使能滿足，可靠性也會(huì)變得極差。而采用分布式供電結(jié)構(gòu)則沒(méi)有此問(wèn)題，可隨意進(jìn)行擴(kuò)充。所以，分布式供電是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)充性的最佳選擇。
綜上所述，通信系統(tǒng)的供電方式從分層式向分布式轉(zhuǎn)變是一必然趨勢(shì)。在歐美日等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，通信系統(tǒng)中采用分布式供電已經(jīng)比較普遍。相比之下，國(guó)產(chǎn)通信系統(tǒng)供電方式改變的步伐則明顯慢一些。就目前而言，分層供電方式在造價(jià)、性能及可靠性的取舍中較符合國(guó)情。長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，國(guó)產(chǎn)通信系統(tǒng)采用的供電方式必然要跟隨國(guó)際的趨勢(shì)，向更可靠更靈活的分布式電源供電方式過(guò)渡。廣州金鵬集團(tuán)有限公司推出的3G產(chǎn)品CDMA 1X EVDO通信系統(tǒng)，便采用了國(guó)際上流行的分布式供電方式設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
評(píng)論