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近年來，隨著電信技術的發展及數據業務的迅速擴大，數據通信設備和電信網絡設備不斷走向融合，這就需要可靠的電源系統來為這些應用供電。傳統的電源架構是集中式電源架構，即單個電源從交流輸入線路向所有需要的輸出提供功率轉換，這種架構的成本最低，但可靠性和靈活性差。而數據通信中的數字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、中央處理器(CPU)等器件需要低電壓供電從而獲得更大電流，這就要求電源供應盡可能地接近負載，所以如今大多數應用中采用的是分布式電源架構。相應的，分布式電源系統(DPS)對系統中不同設備、不同電路板、甚至是同一電路板上的不同電路采用不同的電源供電，從而提供更高的可靠性、靈活性及散熱性能。 對于分布式電源系統而言，常見的是-48 V分布式電源系統。通常情況下，交流-直流(AC-DC)轉換器將交流輸入電源轉換為-48 V直流電源，同時給備用電池(蓄電池)供電。通過將-48 V電源的正極接地(即正極電平為0 V)，就可以提供+48 V的輸入電壓，再通過直流-直流(DC-DC)隔離電源轉換和非隔離電源轉換為相應負載提供所需的電壓電平。所謂隔離電源轉換，即輸入和輸出之間采用高頻變壓器進行電氣隔離；而非隔離電源轉換的主電路中則沒有高頻變壓器。 作為全球領先的高性能、高能效電源解決方案供應商，安森美半導體針對電信和網絡系統中的分布式電源應用提供一系列的DC-DC解決方案(如圖1所示)。本文將針對隔離和非隔離電源轉換應用共選擇3種應用作為示例，分析它們適合采用的電源拓撲結構及關鍵元件，特別是安森美半導體提供的DC-DC解決方案如何能夠滿足這些要求，為客戶提供高能效的參考設計，幫助他們加快產品上市進程。 圖1：安森美半導體針對電信和網絡應用提供的分布式電源解決方案。 1) 隔離電源轉換：基于CS51021的隔離型5 A輸出網絡電源參考設計 為目標應用選擇合適的電源拓撲結構和關鍵元件非常重要。一般而言，有幾項關鍵考慮因素，如輸入電壓范圍(及精度)、輸出電壓和電流、能效目標、隔離要求和保護性能等。相應的，這網絡電源參考設計相應的目標規范為：輸入電壓+48 V(精度±20%)，輸出為5 V@5 A，提供限流、欠壓和過壓保護，目標能效高于85%，有隔離要求，且必須使用陶瓷電容。 從上述目標規范來看，我們可以看出其輸出功率要求相對較低，僅為25 W。而在15 W到100 W功率的通信應用中，通常使用低成本的單端正激或反激轉換器。具體在本參考設計中，我們選擇正激轉換器，因為這種拓撲結構提供較高能效，可以采用小尺寸輸出濾波器，提供低紋波輸出，適合高密度板設計，且輸出和輸出之間隔離。相應地，可以采用安森美半導體的CS51021。 CS51021是安森美半導體推出的一款固定頻率電流模式脈寬調制(PWM)控制器，提供構建交流- 直流(AC-DC)和DC-DC初級端控制電路所需的全部特性。這器件能夠配置為正激或反激拓撲結構，提供高達1 MHz的開關頻率，可用于優化轉換器尺寸及其能效；具有1 A的漏/源極門驅動能力，適合高能效操作；具有可編程斜坡補償功能，提高了穩定性。其它特性包括可編程逐脈沖過流保護、帶有前沿消隱的電流模式控制、具有可編程遲滯的過壓保護、雙向同步等。 圖2顯示的是基于安森美半導體CS51021控制器構建的網絡交換機電源的主要規范及演示電路板圖片。考慮到相關設備也可能會采用備用電池進行工作，這參考設計提供的輸入電壓范圍比48 V±20%更寬，達到36 V至72 V。在能效方面，測試數據顯示，5.0 A輸出電流時的能效也高于85%，符合設計目標要求。 圖2：基于CS51021構建的網絡交換機電源參考設計的主要規范。 2) 隔離電源轉換：基于NCP1031的2 W偏置電源參考設計 針對基站和網絡中的偏置電源應用，我們假定其目標規范為：輸入電壓+48 V、輸出電壓12 V、輸出功率2 W，目標能效高于80%，有隔離要求。這些目標規范要求應用具有小尺寸和高功率密度，支持元件數量盡可能地少，并且具有寬輸入范圍，覆蓋+48 V電信應用。 針對這方面的應用要求，我們可以采用安森美半導體的PWM控制器及電源開關NCP1030。實際上，NCP1030及NCP1031是安森美半導體推出的一系列小型高壓單片開關穩壓器，具有片上開關及啟動電路，能夠配置為正激或反激等單端拓撲結構；其中，NCP1030適合于需要高至3 W功率的應用，而NCP1031適合于需要高至6 W功率的應用，本參考設計中我們選擇的是NCP1030。 NCP1030具有內部啟動穩壓器，直接采用輸入電壓進行供電，還集成門驅動和200 V電源開關，降低了電磁干擾(EMI)。其中的電源開關電路采用SENSEFET?技術來監控漏電流(NCP1030的漏電流限制閾值為0.5 A)，用于提升能效。總的來說，NCP1030是一種集成方案，集成開關管、PWM控制器及監控電路。采用NCP1030實現的電信偏置電源占位面積僅為 0.032平方英寸，相比較而言，采用TL384x和MAX6457A等競爭器件實現的偏置電源占位面積達0.344平方英寸，如圖3所示。 圖3：基于NCP1030的偏置電源比其他解決方案節省超過90%的占位面積。 測試數據顯示，基于NCP1030的偏置電源實現高于80%的能效，線路穩壓精度和負載穩壓精度分別達到0.5%和8%，適合48 V輸入電壓，提供12 V輸出電壓入2 W輸出功率，并采用反激拓撲結構，符合目標規范要求。 3) 非隔離電源轉換：基于NCP3121的電信負載點電源參考設計 分布式電源系統一種常見的電源分配方法是先將48 V電壓先轉換為12 V電壓，再通過負載點(POL)轉換器將12 V電壓轉換為負載所需的電壓，常見的有5.0 V和3.3 V等。相應地，我們假定這POL電源參考設計的規范為：輸入電壓+12 V(精度±10%)，兩路輸出分別為5.0 V@3 A和3.3 V@3 A，能效高于80%，無隔離要求，小尺寸及高功率密度等。 電信應用中的負載點(POL)轉換器會涉及到為DSP、ASIC、FPGA或CPU等敏感電路供電，需要提供不同負載所需的不同電壓，并且具有上電和掉電排序能力，還需要具有小尺寸和高功率密度，能夠提供大批量、低成本的解決方案。相應地，我們可以采用安森美半導體的NCP3121集成雙路3 A降壓穩壓器。這器件設計用于需要高能效的低壓應用，能夠產生低至0.8 V的輸出電壓。這器件具有200 kHz至750 kHz的可調節開關頻率(由外部電阻設定)，具有寬溫度范圍的精密內部參考，采用改善熱性能的QFN封裝。NCP3121能夠作為獨立開關轉換器操作，同時內置自動追蹤和排序特性，保護上電和掉電的排序，防止錯誤數據加載至輸入/輸出(I/O)緩沖器，保護ASIC等免受損傷，如圖4所示。NCP3121 內置的自動追蹤和排序能力，消除了使用外部電源排序芯片來管理這項功能并保證性能的需要。 圖4：NCP3121內置自動追蹤和排序功能，無須使用外部排序器 基于NCP3121的雙路輸出3 A/3 A電信負載點電源參考設計采用降壓拓撲結構，支持10.8 V至13.2 V的輸入電壓，提供5.0 V@3 A和3.3 V@3 A兩路輸出，符合于xDSL等電信負載點電源應用要求。 |
