新半導體技術提供的更高集成度使當今的電信系統(tǒng)能夠以越來越小的尺寸集成越來越多的功能。更小幾何形狀的工藝可確保更低的功耗、更低的工作電壓和更少的每功能硅的平方密耳。新的印刷電路板通常包括工作在5V、3.3V、2.5V、O.8V等的IC。

新一代IC的功率要求在負載、線路和靜態(tài)電壓調節(jié)方面更加嚴格。在某些情況下（例如，受英特爾 VRM 8.2 規(guī)范約束的情況），輸出電壓通過數(shù)字總線進行編程，電平介于 1.8V 和 3.5V 之間，負載電流為 30A 或更高。電源技術總體上沒有跟上這一趨勢，盡管半導體技術允許更高的集成度、完整的自動電路板組裝和更小的電路板間距。

除非在極少數(shù)情況下，否則電源無法自動組裝。大多數(shù)都有用于熱管理的大型散熱器，迫使手動組裝。對于大多數(shù)電信系統(tǒng)，傳統(tǒng)的冷卻技術迫使散熱器尺寸的增長。所需的散熱器表面與電源效率直接相關（圖 1）。因此，新的電源電壓（3V或更低）對散熱器尺寸有直接影響。考慮一個正激式轉換器，如圖1所示，工作功率為100W：

帶 5V 輸出：PLOSS= 100（P外/eff.）-POUT= 100（100/83） - 100 = 20.5W

帶 3V 輸出：PLOSS= 100（100/70） - 100 = 42.9W

圖1.對于 DC-DC 轉換器，低電壓操作會降低效率。

將電源電壓從5V下移至3V會使功耗從20.5W增加到42.9W，從而產生另外22.4W的功耗，這是熱設計中必須考慮的因素。功耗的第一個問題是內部溫度的升高，這會降低所有組件的MTBF。因此，縮小IC制造的尺寸和成本對相關電源會產生相反的影響，除非我們考慮 全新的電源管理架構。

對于簡單的電信系統(tǒng)，為了清楚起見，將其降至最低（圖2），我們考慮了三種可能的電源方法。該系統(tǒng)包括一個處理高數(shù)據(jù)速率的光纖接口板（如STM-1光纖），一個包含系統(tǒng)管理和輔助功能的背板，以及多達10個線卡，每個線卡都有一個低數(shù)據(jù)速率接口，如ISDN'U'、POTS或E1/T1。這些負載需要多個輸出，源自標稱值 -48V，帶備用電池，可在 -42V 至 -60V 或 -36V 至 -76V 范圍內提供。必須與電池進行電氣隔離。

圖2.基本組件構成一個簡單的電信系統(tǒng)。

首先，將接口要求乘以 10，以在系統(tǒng)中最多容納 10 塊板。所需的總功率為230W，分配給五個固定穩(wěn)壓輸出電壓和一個通過5位總線編程的可變輸出電壓。該可變輸出的最大容差為 1%，包括線路和負載調整率。正在考慮的三種配電架構是集中式電源、分布式和隔離式電源以及具有輔助非隔離分布式輸出的集中式單輸出。

集中式電源

該單元產生所有必需的電壓作為與電池電壓隔離的次級輸出。在本例所需的輸出功率電平（230W）下，典型配置可以是正橋或半橋，控制環(huán)路閉合（例如）在3.3V的主輸出上。其他輸出必須進行后置穩(wěn)壓，以符合嚴格的容差要求。這些后置穩(wěn)壓器可以是線性型或開關型，每種類型都獨立于其他類型，由具有耦合輸出電感器的多個次級變壓器驅動（圖 3）。

圖3.在這種多輸出電源中，每個次級器件包括耦合電感器和一個后線性穩(wěn)壓器IC。

這種方法有幾個缺點：定制設計的磁性元件難以生產，寄生元件會對性能產生巨大影響，并且系統(tǒng)效率低。請注意，較低的輸出電壓會導致較低的效率，因為整流二極管和線性穩(wěn)壓器（甚至LDO類型）所代表的損耗占輸出的百分比更大。

考慮對 1.5V 輸出進行簡化分析（圖 4）。假設電流占空比為50%，整流二極管電流等于I外，電感損耗僅與電阻有關，與磁芯材料、開關頻率等引起的磁效應無關。出于類似的原因，我們忽略了電容器中ESR引起的損耗：

POUT = IOUTVOUT = 10(1.5) = 15W

PL = IOUTVOUTRL = 10(10)(0.01) = 1W

PD1 + D2 = VD(IOUT) = 10(0.4) = 4W

PLDO = IOUTVLDO = 10(0.6) = 6W

Eff. = POUT/(PL + PD1 + PD2 + PLDO + POUT) = 15 / (1+ 4 + 6 + 15) = 58%

圖4.由于存在固定損耗，較低的輸出電壓意味著該線性穩(wěn)壓電源的效率較低。

因此，對于輸送到負載的每瓦特，電路損失0.7W作為熱能，這不是一個有吸引力的能量使用。更有趣的是基于開關后置穩(wěn)壓器的系統(tǒng)（圖 5）。

圖5.這些開關模式穩(wěn)壓器（與線性類型相比）提供更高的效率以及更大的復雜性和噪聲。

圖5中的5V主輸出由光耦合器反饋調節(jié)，所有其他輸出由IC調節(jié)，如同步降壓型（MAX1630、MAX1637、MAX1652和MAX1638）或MAX774負輸出電壓反相型。使用來自不同供應商的標準“現(xiàn)成”磁性元件，同步降壓穩(wěn)壓器產生的1.5V輸出可實現(xiàn)87%的效率，而線性穩(wěn)壓器方法的效率為58%。

圖6所示的降壓穩(wěn)壓器IC包括同步整流功能，是目前同類器件中最大的成員。它具有降壓調節(jié)功能，具有過壓和欠壓保護、電流保護和輔助電壓能力。

圖6.這款降壓型控制器IC提供具有同步整流功能的雙路輸出。

另一種可能性是使用反相DC-DC控制器從正電壓產生負電壓，如圖7所示。該 IC 和一些外部元件（電感器、功率 MOSFET 和輸出電容器）提供了產生該系統(tǒng)所需的 -5V @ 2A 的最簡單方法。Maxim評估套件集成了上述所有器件，簡化了電路板布局并加快了設計過程。

圖7.這些開關模式IC將正輸入電壓轉換為穩(wěn)定的負輸出。

在大多數(shù)情況下，中央電源是定制設計，安裝在易于訪問和方便的熱管理的位置。該規(guī)范由系統(tǒng)或設計工程師編寫，并提交給公司的電源部門或專門從事電源設計和制造的許多其他公司之一。無論哪種方式，最終結果都是交付經過全面測試和合格的“黑匣子”。

來自電池的高電壓僅影響電源的輸入部分。出于安全原因并符合 EN60950、UL950 等規(guī)范，所有次級輸出都與電池隔離。符合這些標準安全規(guī)范還可確保集中電源可以在整個系統(tǒng)中分配其調節(jié)電壓，并且無需擔心到設備其他部分的間隙距離。

為了實現(xiàn)冗余，您可以使用串聯(lián)二極管輕松并聯(lián)兩個電源，在相應的輸出之間創(chuàng)建OR連接。這種架構使電源的成本和尺寸翻倍，但它通常用于中小型電信系統(tǒng)中的開關后置穩(wěn)壓。

對于更復雜的系統(tǒng)，例如前面提到的示例，這種方法存在兩個問題：首先，需要昂貴的電纜和連接器線束來為系統(tǒng)中的所有電路板承載高負載電流。其次，板之間的電壓調節(jié)是一個問題;遙感可以保證一塊板上的穩(wěn)壓，但它不一定在其他板上提供足夠的容差來確保安裝在其上的各種IC正常運行。最后一點通常排除了對集中式電源的考慮。即使對于簡單的系統(tǒng)，降低電源電壓的趨勢和對更嚴格監(jiān)管的需求也使得集中式方法越來越難以實施。

分布式和隔離電源

在這種方法中，電池電壓（-48V）提供給系統(tǒng)中的所有電路板（圖8），并且每個電路板都包含一個或多個適合該板要求的電源。從某種意義上說，集中式電源被分成各種較小的DC-DC轉換器，每個轉換器都獨立于其他轉換器。為此，當今市場提供了廣泛的單輸出和多輸出DC-DC轉換器，其容量從幾瓦到超過600瓦。例如，兩個電路中的任何一個都可以滿足“接口板”電源要求：

1. 三個直流-直流轉換器
2.一個 DC-DC 轉換器和三個開關后置穩(wěn)壓器

第一個解決方案很簡單;您可以購買三個“現(xiàn)成”模塊，并根據(jù)制造商的EMI濾波，短路保護，熱管理等規(guī)格將它們安裝在板上。缺點是成本（每瓦），因為每個模塊都需要自己的隔離變壓器、反饋回路和其他組件。第二個電路的成本降至最低，因為隔離和主輸出電壓由一個DC-DC轉換器提供，而簡單的降壓轉換器則提供其他穩(wěn)壓輸出。功率要求通常在10W至30W范圍內，因此反激式或正激式轉換器拓撲可以用于第一級。

圖8.一種配電方法是將原始電池電壓（-48V）路由到每個電路板，并根據(jù)需要進行下變頻。

在圖9的簡化原理圖中，初級側控制器（PFM MAX1771或PWM MAX668）提供了一些有趣的特性。兩者都是CMOS芯片，功耗非常低，并且可選使用外部p溝道開關MOSFET，使兩款器件能夠在不改變控制電路的情況下提供寬范圍的功率。后置穩(wěn)壓由MAX1627實現(xiàn)，MAX90是一款簡單的PFM降壓型穩(wěn)壓器，具有外部開關MOSFET。PFM控制的最大優(yōu)勢是效率與輸出負載的關系：在這種情況下，從2mA到2A超過<>%！

圖9.作為圖8所示方法的替代方案，將電池電壓下變頻（并隔離）一次，并將該較低電壓分配給各種簡單的降壓轉換器。

MAX6501采用微型SOT23封裝提供溫度保護。當其封裝達到預設的內部電平時，其輸出邏輯狀態(tài)將發(fā)生變化，以警告可能存在的熱問題。因此，您可以通過將這些器件安裝在變壓器、功率MOSFET和系統(tǒng)中的其他熱點附近來實現(xiàn)經濟的熱保護。

兩個器件完善反饋環(huán)路：精密、低壓差、微功耗電壓基準（MAX6025）提供小于20ppm/°C的溫度系數(shù)和優(yōu)于0.2%的初始精度。微功耗運算放大器（MAX4040）提供90kHz增益帶寬乘積，電源電流僅為10μA。兩款器件均采用微型 SOT23 封裝。

由于分布式電源系統(tǒng)在其使用點附近調節(jié)功率，因此它很容易滿足當?shù)貙€路、負載和靜態(tài)調節(jié)的要求。另一個優(yōu)點是，分布式電源系統(tǒng)中的小型轉換器（與通常由外部分包商開發(fā)的大型中央電源不同）可以輕松適應電路板設計開發(fā)過程中經常發(fā)生的電源要求變化。

冗余并不總是需要重復電源（1+1 冗余）;N+1 冗余有時就足夠了。這里，N是代表系統(tǒng)所需所有功率的各種電源電壓的總和，激活一個備用電源電壓只是為了替換故障輸出（然后維護用故障輸出替換電路板）。如果電源具有熱插拔功能，則可以在不關閉系統(tǒng)電源的情況下修復此故障。維護更容易，因為您可以更容易地更換印刷電路板，而不是帶有所有連接器的大型集中電源。

從電磁的角度來看，系統(tǒng)必須符合將要安裝它的各個國家/地區(qū)規(guī)定的所有規(guī)范。因此，為了抑制由于來自各種電源的開關頻率相互作用而產生的噪聲，必須在每塊電路板的電源輸入端安裝EMI濾波器。為了防止這些多個濾波器產生EMI問題，您可能還需要在-48V總線上安裝一個額外的濾波器（圖10）。

圖 10.為確保符合每個國家的EMI規(guī)范，請在主轉換器和所有輔助下變頻器上安裝EMI濾波器。

同步轉換器頻率可能無法解決問題;有時它甚至會使問題變得更糟。如果所有轉換器都以相同的頻率切換，則第一次諧波將具有更多的能量，并且EMI濾波器中需要更多的衰減。這種架構的一個低效方面是隔離和從-48V到3.3V的下變頻。此外，在整個系統(tǒng)中安裝IC轉換器也存在熱管理問題。您可以為每個散熱器添加一個散熱器，但這也會增加系統(tǒng)的成本和處理能力。

PC 板上封裝的高度不能很大，并且 -48V 的存在需要在電路板上的二次電子元件之間留出特定量的間隙。這種間隙需求意味著不能在昂貴的多層PC板上使用一定數(shù)量的保護區(qū)域。作為通過半導體技術獲得集成優(yōu)勢的折衷方案，將集中式電源的優(yōu)點與分布式和隔離電源的優(yōu)點相結合的系統(tǒng)架構對新設備非常感興趣。

將集中式電源與分布式非隔離電源相結合

由于-48V總線意味著安全問題，而3.3V總線存在線路和負載調節(jié)困難，因此最佳解決方案可能是中間配電電壓。原理是使用單輸出集中電源，實現(xiàn)與電池的電流隔離，同時將輸入電壓（36V至76V）降壓至12V。12V 用作系統(tǒng)的內部總線，非隔離穩(wěn)壓器根據(jù)需要從中獲取其他電源電壓。

唯一的隔離是在從-48V降壓至12V的轉換器中。由于12V將由當?shù)胤€(wěn)壓器在板級進一步降壓，因此嚴格的12V穩(wěn)壓不是必需的;公差為 ±10% 或更高是可以接受的。這種寬松的規(guī)格允許基于主變壓器的輔助繞組進行調節(jié)的簡單反饋回路。輔助繞組通常也為轉換器的初級側供電，因此無需次級IC控制器和光耦合器。

接近 12V 的電壓是理想的，因為它在配電總線中沒有過大電流的情況下提供可接受的效率。它允許合理的熱管理，并且通過正向或全橋，可以輕松實現(xiàn)82%至85%的效率。12V電源應安裝在可接近的位置，以便在外部世界和電源散熱器之間實現(xiàn)最大的熱交換，但不會將熱空氣引向熱敏元件。一旦知道這種功耗，機械設計人員就可以執(zhí)行分析（比具有多個熱源的系統(tǒng)簡單得多），以優(yōu)化設備內的氣流。

這種12V電源將占系統(tǒng)功耗的四分之三以上。假設該級效率為10%，第二級后置穩(wěn)壓器的效率為83%，則每向負載輸送95W，則系統(tǒng)在第一次下變頻至2V時功耗為12W，在從0V至5.12V的第二次下變頻中功耗僅為3.3W。因此，熱分析應主要關注第一個模塊（12V電源），而不是后置穩(wěn)壓器。實際上，可以選擇它們的位置來優(yōu)化印刷電路布局。

請注意，串聯(lián)兩個轉換的效率通常與單次轉換的效率相同或更高，例如從-48V到+3.3V。兩個或多個輸出電壓進一步增加了單次和雙次轉換之間的效率差距。您可以根據(jù)需要合理地向 12V 總線添加任意數(shù)量的后置穩(wěn)壓器，但將高壓轉換器直接添加到 -48V 總線既龐大又昂貴。

由于第一個轉換器的輸入為電池電壓，其輸出為安全隔離，因此在定位轉換器或其電源總線時無需特別注意間隙距離或爬電距離。此外，您可以通過在每個板級開關穩(wěn)壓器的輸入端添加濾波器來減少反射紋波。一階LC濾波器通常就足夠了，因為電池至12V轉換器有自己的EMI濾波器。

這種EMI濾波器的衰減必須超過相關國際標準規(guī)定的限制，這些標準通常考慮環(huán)境和終端設備的類型。噪聲由第一個轉換器和12V輸出端的后置穩(wěn)壓器產生。

電荷泵系列轉換器（圖11）能夠升壓或反相輸入電壓。輸出電壓可以不穩(wěn)壓或反饋以提供穩(wěn)壓。對于非穩(wěn)壓器件，輸出電平取決于輸入電壓和負載電流。不需要磁性部件。內部開關首先將外部電容器連接到輸入端，然后將其充電至 V在.然后，其他內部開關將同一電容器連接到輸出側。

圖 11.電荷泵轉換器可以反相或降壓輸入電壓并調節(jié)輸出，所有這些都無需使用電感器。

由于沒有磁性元件，因此人們對這種用于板級應用的轉換器類型產生了興趣。電荷泵轉換器（如MAX682）具有更高的開關頻率和更低的導通電阻，可在僅5mm x 250.5mm （8mm）的空間內提供6V @ 44mA電流。2).

更高的功率電平由開關模式穩(wěn)壓器管理，該穩(wěn)壓器采用外部電感器，采用升壓、降壓和升壓/降壓配置。Maxim推薦經過測試和驗證的電感器，通常指定來自兩個或多個供應商的零件號。大多數(shù)是標準的SMD零件，在全球范圍內可用，并且“現(xiàn)成”，易于采購和全自動組裝。

您可以選擇具有內部功率MOSFET和控制電路的器件，如MAX887，一種能夠在SO封裝中提供500mA電流的降壓型穩(wěn)壓器，或者MAX710，一種低壓差（LDO）升壓轉換器，在500QSOP封裝中提供16mA電流。為了管理高達35A的輸出電流，MAX1638等器件采用外部功率MOSFET。

MAX1638（圖12）為同步降壓控制器，能夠通過數(shù)字總線改變其穩(wěn)定的輸出電壓。它符合英特爾的 VRM 8.2 規(guī)范，可提供大輸出電流（超過 35A），并且需要小于滿足負載調節(jié)指定動態(tài)容差水平所需的輸出電容器。為了限制負載電流快速變化引起的過沖和下沖，MAX1638控制由兩個小功率MOSFET組成的“毛刺捕捉器”電路，通過減小電容尺寸來節(jié)省成本和空間。

圖 12.該降壓型控制器提供同步整流和數(shù)字可調輸出電壓。

當輸出電壓超出穩(wěn)壓狀態(tài)超過 ±2% 時，p 或 n 溝道毛刺捕獲器開關接通，通過將電流從輸入或接地直接注入輸出，迫使輸出重新進入穩(wěn)壓狀態(tài)。對于使用最小值輸出電容的應用中小于2V的輸出，此操作最為有效。

審核編輯：郭婷