用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例

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1、用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例作者：■LinearTechnologyCorp.Dr.WeiChen为了处理日益复杂的实时计算问题，当今的通信系统采用了大量的高性能计算芯片，包括各种CPU，FPGA和存储器。对更高计算速度的需求促使人们相应地提高时钟频率，电源电流也随之增加。有些器件所要求的电源电流已超过了100A。在电源电流增加的同时，电压已经降至1V左右，这主要是因为计算芯片的特征线宽越来越细。低电压、大电流容易导致功率损耗，此时线性调压器电路已经很难适应电源设计的要求。不过，采用高性能的开关型电源结构，则可以获得高

2、效率的电源。面临的挑战与当今许多类型的系统一样，通信系统中电路板的面积非常宝贵。尺寸限制，连同降低成本的压力和其他一些新的技术方面的挑战，使低电压、大电流的电源设计成为通信系统设计中最困难的设计任务之一。对电压调节能力的挑战随着电源电压降低到1V,即使小到50mV的电压摆动，也会使计算电路性能发生剧烈的波动。因此必须对直流输出电压进行严格的调控。大的输出电流是电压波动的一个主要诱因，包括PCB导线或电源输出与CPU电源引脚间的连接器引入的10mV～50mV压降。当电源电压为1~1.5V时，这些压降会产生显著影响。因此，要求对正向和负向

3、电压输出轨都实现远程电压监测。另一个问题是，先进的计算芯片能根据系统指令瞬时地改变电源电流，变化幅度超过20A。这样大的负载阶跃，再加上电流的快速换向，将使电源电压下降或超调。要处理这类动态变化的负载并减小输出电容的尺寸，电源就必须具有很快的瞬态响应能力。传热学方面的挑战由于系统封装密度随系统复杂程度的增加而增加，散热已成为系统硬件设计人员要面对的一个愈发严峻的挑战。同时，对电压稳定有严格要求的高性能计算芯片要求电源就位于其附近。因此，重要的是要减小电源的功率损耗，并消除PCB上的过热点和功率元件，以避免让计算芯片热上加热。输入噪声带

4、来的挑战由于在许多通信子系统中，主要的负载驱动电源大多为3.3V,因此必须抑制3.3V汇流排的噪声，以确保所驱动的逻辑器件能正常工作。一个开关型降压电源的输入电流是脉动的，为了滤除输入噪声，要采用一个大的输入电容，有时可能还要采用大量值的LC滤波器。输入滤波电路的尺寸和成本一般随输出电流的增加和/或输入电压的下降而增加。采用标准电源模块时，成本方面的挑战现成的电源模块(如“砖式模块”)价格昂贵。此外，标准电源模块的设计指标对多数应用场合的实际电源需求来说通常过高。既然定做模块要花费较多时间，增加成本，系统设计者不妨考察一下其他替代方法

5、，以降低成本。新技术的发展为了应对这些设计上的挑战，人们开发了不少用于通信系统中低电压、大电流电源的新技术。受欢迎的板上(On-board)电源由于每种板上电源的额定功率参数能方便的根据实际需要进行调整，电源的成本及其尺寸可以减少。此外，与标准电源模块相比，它还有如下一些技术上的优势。●能更好的根据负载变化进行调整。板上电源消除了电源输出和负载间的连线带来的电阻和电感，从而能更好的实现直流和瞬态调压。●效率更高。电源连接器的导电损耗被消除了。此外，板上电源可以采用地线层和其他直流电源层来传导直流电流。因为这些系统层的电阻低于小电源模块

6、，在PCB引线上的导电损耗可以更低。●热量管理效果更佳。整个系统电路板可以作为板上电源的散热器。相应的，过热点的温升也比电源模块中的低得多，后者可用于散热的PCB板面积十分有限。这改善了系统的长期可靠性。●成本低。既然板上电源可以根据实际电源需要进行优化，所花费的成本就会低于其额定指标过高的标准电源模块。这一方法还能省下采用大电流连接器所花费的成本。由于电压瞬态调节能力更强，还可以进一步减少输出解耦电容的数量。大多数板上电源的元件还可以用于系统的其他模块，元件可以大批量采购，这也节约了成本。大电流电源普遍采用的标准技术——多相(Pol

7、yPhase)技术传统的单相方法依赖于若干并联的MOSFET，要用笨重的电感来保证所要求的大电流。这会造成MOSFET中很高的开关损耗，以及电感和MOSFET焊盘上的电流雍塞现象，有可能影响PCB的可靠性。由于效率和开关频率较低，输出端就必须采用更大的电感，导致瞬态响应变慢。多相技术则基于现有的电源元件，其性能优于单相电路，特别是电源电流超过20A时。该技术通过将若干并联的功率级电路的相位进行交替组合，在电源输入和输出端实现纹波电流的相互抵消，从而显著地提高了性能，降低了成本。●纹波电流的相互抵消可以减小输入电容、输出电容和电感的尺寸

8、和成本。●输入纹波电流的相互抵消减少了输入噪声，使之特别适用于采用3.3V电源的应用场合。●能响应更快的负载瞬时变化，因为对瞬态过程而言，各输出电感可等效地视作并联的。等效电感的减小提高了输出电流的换向速率。●由于开关的