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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在高端電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，分布式電源已成為主流應(yīng)用方式。通常背板母線電壓為24V或者48V，每塊插板用一個(gè)或多個(gè)DC/DC電源模塊將母線電壓轉(zhuǎn)換為板內(nèi)系統(tǒng)所需電壓，同時(shí)采用非隔離型負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器得到高功率低電壓電源。采用分布式電源供電時(shí)，最關(guān)鍵的問題是對(duì)每塊線路板所采用的DC/DC電源模塊的考慮。一般要求具有低內(nèi)阻、低紋波、高效率、軟啟動(dòng)、防浪涌、防開關(guān)機(jī)過沖、支持熱插拔、提供冗余備份、寬的溫度范圍等，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。
3.1 低內(nèi)阻、低紋波的要求
系統(tǒng)電路中使用元件的運(yùn)行速度越來越高，對(duì)供電方式也提出了更高要求。例如高速微處理器，當(dāng)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)時(shí)，其負(fù)載電流的變化速度可高達(dá)1000A/μs，這樣高速的電流變化要求DC/DC電源要放置于最接近元件的位置上，縮短電源到負(fù)載的距離，以減小配電線路的寄生電感在負(fù)載電流高速變化時(shí)所導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，這就要求選擇低內(nèi)阻的DC/DC電源模塊和設(shè)計(jì)低阻抗的供電線路。有時(shí)甚至很難選擇到擁有如此優(yōu)良動(dòng)態(tài)特性的電源模塊，而需要在負(fù)載點(diǎn)周圍采用多相驅(qū)動(dòng)的方式，由數(shù)個(gè)相互關(guān)聯(lián)的電源一起承擔(dān)起芯片所需的電流。另外由于芯片供電電壓的降低，要求開關(guān)電源模塊的紋波噪聲相應(yīng)的下降，這對(duì)高頻開關(guān)電源來說也是一大難題。相對(duì)而言，低紋波的電源模塊還是有相當(dāng)廠商能提供，例如VICOR、TYCO ELECTRONICS等知名模塊電源廠商均有種類繁多的品種。
3.2 高效率的要求
隨著集成電路工藝的發(fā)展，MOSEFET的工作頻率越來越高，通態(tài)電阻越來越小，而軟開關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展，同步整流技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源的損耗越來越少，效率越來越高。高效意味著電源產(chǎn)生的熱量少，可靠性更高。目前國(guó)外最新型模塊電源的效率已經(jīng)達(dá)到90%以上甚至更高，設(shè)計(jì)者應(yīng)該優(yōu)先選擇高效率的模塊電源。
3.3 軟啟動(dòng)、防浪涌、防開關(guān)機(jī)過沖、支持熱插拔
這幾種要求對(duì)于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠地工作非常重要，但往往容易被忽視。芯片的供電電壓越低，它所能承受的電壓范圍也越窄，一旦電源在開關(guān)機(jī)過程中產(chǎn)生過沖電壓，便極易被燒毀。電源的軟啟動(dòng)和防浪涌、防開關(guān)機(jī)過沖是緊密聯(lián)系之一起的，具備了軟啟動(dòng)功能，便能減少開機(jī)的沖擊電流，容易實(shí)現(xiàn)防輸出過沖，但是在外圍的輸入輸出電路中仍然要加上TVS管來吸收浪涌電壓。支持熱插拔是通信系統(tǒng)易維護(hù)性的要求。這一要求的關(guān)鍵在于開關(guān)電源的熱插拔，目前有不少專用于熱插拔監(jiān)控的集成芯片，只需要添加少量的外圍電路便可使得電路板具備熱插拔的功能。比如通過電路板的助拔器的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)傳感器檢測(cè)出電路板下一步的動(dòng)作，提前關(guān)閉或延遲啟動(dòng)電源模塊，使得電路板實(shí)際上處于斷電狀態(tài)下進(jìn)行插拔。
3.4 提供冗余備份
這種要求純屬為提高系統(tǒng)可靠性而采取的冗余設(shè)計(jì)，許多電源的設(shè)計(jì)者不太重視冗余備份。這種冗余備份可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)電路板的備份來實(shí)現(xiàn)，從電路板的整體MTBF來看，單純的在單塊電路板上設(shè)計(jì)冗余電源的意義不大。
3.5 寬的溫度范圍
由于通信系統(tǒng)在戶外應(yīng)用的情況增多，因此要求電源的溫度范圍要寬，以應(yīng)付在戶外應(yīng)用時(shí)由嚴(yán)寒至酷熱的不同環(huán)境溫度。一般的DC/DC電源模塊的工作溫度范圍只是在0℃～+70℃，而戶外應(yīng)用的工作環(huán)境溫度要求-40℃～+ 85℃，因此這類電源不適合在沒有空調(diào)設(shè)備的戶外應(yīng)用。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的溫度變化范圍選擇適合的電源模塊。
3.6 上/下電順序控制
隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，各類數(shù)字集成電路被應(yīng)用到一塊電路板上，為了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，協(xié)調(diào)控制不同供電電壓集成芯片的啟動(dòng)與關(guān)斷，電路板往往要設(shè)計(jì)有上/下電順序控制。TI公司就有針對(duì)這一領(lǐng)域的應(yīng)用而開發(fā)出專門用于線路板上電順序控制的芯片，同時(shí)提供了具有Auto-Track排序功能的PTH系列負(fù)載點(diǎn)（POL）插入式電源模塊，可以讓設(shè)計(jì)者非常容易地實(shí)現(xiàn)多模塊電源的上電或斷電順序控制。
3.7 在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)
為提高通信系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，往往要求對(duì)所有運(yùn)行中的電路板實(shí)行在線數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過I2C總線或RS-485串行通信線匯集到監(jiān)控模塊中去，電源的電壓值必須在受監(jiān)測(cè)的范圍內(nèi)。
3.8 整機(jī)系統(tǒng)的散熱
在整個(gè)通信系統(tǒng)功率較大的情況下，必須要考慮強(qiáng)迫風(fēng)冷，一般采用轉(zhuǎn)速達(dá)到要求的風(fēng)扇，形成從下至上的空氣流，將電路板散發(fā)出來的熱量帶走。系統(tǒng)機(jī)柜結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮合理的風(fēng)道，使得這個(gè)機(jī)柜的熱量均勻散發(fā)，避免熱量集中的地區(qū)空氣滯留。另一個(gè)容易忽視的方面是對(duì)風(fēng)扇要考慮監(jiān)測(cè)故障告警信號(hào)和轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)調(diào)整。
4 結(jié)束語
針對(duì)應(yīng)用于通信設(shè)備的分布式電源，本文從應(yīng)用的角度提出了設(shè)計(jì)上要注意的幾個(gè)方面，希望能對(duì)從事通信設(shè)備供電設(shè)計(jì)的工程師們起到一點(diǎn)借鑒作用。
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