高端路由器供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘    要：本文介紹了分布式供電系統(tǒng)和三種基本的板上DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一臺(tái)高端路由器供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了電源設(shè)計(jì)框圖。
關(guān)鍵詞：分布式供電系統(tǒng)；DC/DC轉(zhuǎn)換器；高端路由器
引言
高端路由器是指在Internet骨干網(wǎng)核心使用、性能優(yōu)良、具有高密度高速端口和巨大交換容量的新一代路由器產(chǎn)品。它的可擴(kuò)展性、高速接口、互操作性、QoS能力和可靠性，不僅能為骨干網(wǎng)提供良好的升級(jí)、服務(wù)質(zhì)量和故障恢復(fù)能力，還能為網(wǎng)絡(luò)向下一代基于IP的高速骨干網(wǎng)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
在高端路由器中，供電系統(tǒng)是不可缺少的重要組成部分。供電指標(biāo)如動(dòng)態(tài)特性、輸出電壓紋波、地線壓差等與高端路由器能否正常工作有著非常密切的關(guān)系，其他指標(biāo)如熱插拔、可靠性、易維護(hù)性、易于升級(jí)、成本是否低廉等也都是供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

分布式供電系統(tǒng)介紹
高端路由器在結(jié)構(gòu)上一般設(shè)計(jì)成機(jī)柜形式，用背板進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)接，從而將十幾塊到幾十塊具有不同功能的插件卡聯(lián)系在一起，來完成各種通訊功能。針對(duì)這種機(jī)械結(jié)構(gòu)，供電系統(tǒng)一般采用48V母線分布式供電結(jié)構(gòu)，先將交流220V轉(zhuǎn)換成直流48V，然后利用DC/DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換成各插件卡所需的各種工作電壓如5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V等。所有DC/DC轉(zhuǎn)換器均與負(fù)載設(shè)計(jì)在一塊印制板上或放置在距離負(fù)載板非常近的地方，再通過導(dǎo)線連接到負(fù)載板上。
這種供電方式的優(yōu)點(diǎn)為：采用48V電壓傳送直流電流，母線上電流很小，容易實(shí)現(xiàn)插件熱插拔，提高系統(tǒng)的可維修性；直流地線與能量輸送線相互獨(dú)立，直流地線上沒有大電流通過，有效地減少了系統(tǒng)地線電位差，有利于提高全系統(tǒng)供電的一致性及減少共模傳導(dǎo)干擾；電源的穩(wěn)壓輸出端非?？拷?fù)載，能獲得很高的供電質(zhì)量。
在分布式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，板上DC/DC轉(zhuǎn)換器的選擇和設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問題。每塊負(fù)載板都需求多種電源，且各種電源的電流要求大不一樣。因此，如何確定DC/DC轉(zhuǎn)換器的形式成為設(shè)計(jì)中最為重要的問題。近年來，電源器件發(fā)展相當(dāng)迅速，各種隔離型轉(zhuǎn)換器、非隔離型轉(zhuǎn)換器、負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器(POL)、VRM、LDO不斷推出，為分布式供電系統(tǒng)的普及和發(fā)展提供了充足的條件。
下面以3.3V、2.5V、1.8V、1.5V輸出為例，簡(jiǎn)單介紹幾種不同形式的板上DC/DC轉(zhuǎn)換器的供電結(jié)構(gòu)。
1. 每路電源輸出均采用隔離型轉(zhuǎn)換器，如圖1(a)所示。
2. 中間總線變換器之后接非隔離型轉(zhuǎn)換器，如圖1(b)所示。
3. 高電壓(>2.5V)用隔離型轉(zhuǎn)換器，其他低電壓用非隔離型轉(zhuǎn)換器從高電壓中轉(zhuǎn)換，如圖1(c)所示。
這三種形式的供電結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)：采用寬輸入范圍、可調(diào)節(jié)的總線轉(zhuǎn)換器的中間總線結(jié)構(gòu)在成本、占用空間和功耗上代價(jià)更高；全部采用隔離型轉(zhuǎn)換器在效率方面最高，成本較中間總線結(jié)構(gòu)稍低；在某些應(yīng)用中，當(dāng)有一個(gè)3.3V的大電流電源時(shí)，采用3.3V轉(zhuǎn)換器作為總線轉(zhuǎn)換器比全部采用隔離型轉(zhuǎn)換器的成本更低，但在功耗方面稍高；當(dāng)全部電壓都低于2V時(shí)，采用隔離型轉(zhuǎn)換器是所有方案中最有效的。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)成本、負(fù)載電流的大小、效率、PCB板面積、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和濾波等要求來綜合考慮，以獲得一個(gè)最優(yōu)的供電方案。

某高端路由器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求
在某型號(hào)高端路由器的設(shè)計(jì)中，需要給三種插件卡供電，電源需求和功耗估計(jì)分別為：
A卡：5V/10A、3.3V/12A、2.5V/10A、1.8V/15A，要求在開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)，3.3V、2.5V和1.8V三種電源均能跟蹤5V電源的電壓變化，此外還需電源支持熱插拔。
B卡：1.8V/20A、3.3V/3A、5V/0.15A、2.5V/1.2A，要求電源支持熱插拔。
C卡：5V/3A、3.3V/5A、2.5V/1A，要求電源支持熱插拔。
整個(gè)路由器由20塊插件卡組成，總功耗約1000W左右。
整體設(shè)計(jì)
供電系統(tǒng)采用48V母線分布式供電方式，由兩臺(tái)AC/DC電源并聯(lián)工作產(chǎn)生直流48V電源。兩臺(tái)電源互為冗余備份，大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。直流48V電源通過匯流條送到背板上，供給各個(gè)插件卡。所有DC/DC轉(zhuǎn)換器均與相應(yīng)的插件卡做在同一塊板上，提供5V、3.3V、2.5V、1.8V等多種電源。
供電設(shè)計(jì)方案
插件卡A供電
如圖2所示，四種電源全部采用48V輸入的隔離型電源轉(zhuǎn)換器。
熱插拔控制芯片選用凌特公司生產(chǎn)的LT1640L負(fù)電壓熱插拔控制器，通過控制串聯(lián)在48V母線上的MOSFET，使其緩慢導(dǎo)通或截止從而抑制輸入電壓和輸入電流的變化幅度，保證供電系統(tǒng)的安全性。除了采用LT1640L熱插拔控制器外，還使用了一種簡(jiǎn)單的熱插拔控制方法，即在插件卡的金屬架上裝上一個(gè)微型開關(guān)，平時(shí)該開關(guān)是斷開的，只有插件插到位以后才閉合。利用該信號(hào)去控制電源轉(zhuǎn)換器的開通和關(guān)閉，即使MOSFET已經(jīng)全部導(dǎo)通，但由于微型開關(guān)還未閉合，四個(gè)電源轉(zhuǎn)換器都無輸出電壓，從而可以有效地保護(hù)負(fù)載電路免受沖擊而損壞。兩種電路相結(jié)合可以更好地實(shí)現(xiàn)熱插拔。實(shí)踐證明，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，效果良好。
電源開關(guān)機(jī)時(shí)的電壓跟蹤功能由一片SMT4004芯片來實(shí)現(xiàn)。SMT4004是SUMMIT公司生產(chǎn)的四電壓跟蹤管理器，可通過編程來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)或電壓跟蹤功能；能控制四路獨(dú)立的最低可達(dá)0.9V的電壓；總線側(cè)和卡側(cè)的過壓和欠壓門檻均可編程；帶有I2C串聯(lián)總線接口用來編程、開關(guān)機(jī)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)；有256