面向電信系統(tǒng)的電源管理設(shè)計(jì)

　　為了提供有意義的對(duì)比，圖2、3和4中的每一個(gè)例子都采用了相同的輸出電壓和電流要求。這些例子均基于使用多個(gè)高性能DSP的理論基站，并配套使用了模擬和數(shù)字電路。在5A時(shí)該輸出電壓為3.3V，6.5A時(shí)為2.5V，11A時(shí)為1.8V，20A時(shí)為1.2V。圖5對(duì)之前所述的架構(gòu)進(jìn)行了比較。從圖5可以看出，確實(shí)有可能實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)。半穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓電源系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了更高的效率，而且還節(jié)約了板級(jí)空間與系統(tǒng)成本。與第二代固定電壓IBA相比，半穩(wěn)壓/非穩(wěn)壓IBA最為顯著的改進(jìn)是效率。如圖5所示，電源轉(zhuǎn)換效率提高了大約7%。對(duì)于一個(gè)200W的系統(tǒng)而言，這就相當(dāng)于將熱負(fù)載降低了14W。

　　在這些例子中之所以均使用了電源模塊，是因?yàn)樗鼈兛商峁┳畲蟮墓β拭芏?，并且是許多電信OEM廠商的首選解決方案。所有系統(tǒng)中均可以使用分立POL來(lái)降低成本，但是板級(jí)空間將會(huì)增加一倍。

　　電氣性能

　　設(shè)計(jì)人員接下來(lái)需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是，滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問(wèn)題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。

　　穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來(lái)越小且功耗越來(lái)越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需的電壓也不斷降低的更小的晶體管來(lái)制造數(shù)字半導(dǎo)體。現(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。除了低壓以外，對(duì)電壓容差的要求也越來(lái)越高。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是：線路(輸入電壓變化)、負(fù)載(負(fù)載電流微小變化)、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過(guò)3%。這樣，電源設(shè)計(jì)人員就只有30mV的電壓空間來(lái)滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負(fù)載、時(shí)間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半(15mV)的容差預(yù)算。剩余的15mV則用來(lái)處理計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載帶來(lái)的突發(fā)電流變化(1～3個(gè)時(shí)鐘周期)。

　　容差預(yù)算對(duì)那些想在出現(xiàn)電流瞬態(tài)條件下最小化電壓偏離的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)。如果內(nèi)核電壓(VCC)超出規(guī)定容差極限，那么數(shù)字IC可能會(huì)開(kāi)始復(fù)位，否則就會(huì)產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數(shù)字負(fù)載(例如：最新的千兆赫DSP)要求極快速的瞬態(tài)響應(yīng)和極低電壓偏離。為了達(dá)到這些目標(biāo)，許多附加的輸出電容器通常會(huì)被添加到DC/DC轉(zhuǎn)換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的保持時(shí)間。這種電源模塊(包括為了滿足瞬態(tài)電壓容差而添加的電容)形成了這一完整的電源解決方案。

　　多年來(lái)，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高。即便使用更高的容積效率，整個(gè)電源解決方案也會(huì)超過(guò)單個(gè)電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間，而在今天更為小型化的系統(tǒng)中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計(jì)入電容器成本的情況下，電源材料的成本甚至可能比電源模塊成本的一倍還高。

　　隨著DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以在使用更少輸出電容的同時(shí)獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更小的電壓偏離。TI推出的T2系列下一代 PTH模塊(請(qǐng)參見(jiàn)圖6)便是一個(gè)典型的例子。這些器件集成了一種被稱為T(mén)urboTrans的新型專利技術(shù)，其允許對(duì)模塊進(jìn)行自定義調(diào)諧以滿足特定的瞬態(tài)負(fù)載要求。只需使用一個(gè)單獨(dú)的外部電阻器即可完成調(diào)諧。

　　TurboTrans可以使輸出電容降為原來(lái)的8/1，從而降低了電容的成本并節(jié)約了PCB空間。這種技術(shù)的另一個(gè)好處是，使用具有超低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器可提供增強(qiáng)的模塊電路穩(wěn)定性。這些更新型的Oscon、聚合物鉭電容和陶瓷輸出電容都具有一個(gè)額外的好處，即不但能夠經(jīng)受高溫、而且采用無(wú)鉛焊接工藝。

　　影響隔離式和POL轉(zhuǎn)換器性能的決定性因素是噪聲。開(kāi)關(guān)式POL運(yùn)行在不同頻率上并共享一個(gè)共有輸入總線時(shí)，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會(huì)造成拍頻問(wèn)題，對(duì)EMI濾波造成困難。由這些頻率的和差分所產(chǎn)生的頻率可以產(chǎn)生拍頻，其使EMI過(guò)濾變得困難。

　　舉例而言，如果一個(gè)系統(tǒng)擁有兩個(gè)POL，其中一個(gè)運(yùn)行在300kHz下，而另一個(gè)運(yùn)行在301kHz 下，那么其拍頻就是1kHz。這就要求具有更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)濾波器。TI推出的T2電源模塊擁有一個(gè)SmartSync特性，該特性使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍鄠€(gè)T2模塊的開(kāi)關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使EMI濾波更加輕松。SmartSync可以用來(lái)設(shè)定頻率，以使開(kāi)關(guān)噪聲在一個(gè)特別頻率帶(即xDSL傳輸頻率)中被最小化。TurboTrans和SmartSync是T2電源模塊上的標(biāo)準(zhǔn)特性，其并不會(huì)額外增加前面所述的系統(tǒng)的成本。

　　利用業(yè)界一流的電源模塊構(gòu)建的電信系統(tǒng)讓系統(tǒng)將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員縮小系統(tǒng)尺寸、降低功耗、滿足高性能數(shù)字電路的電源要求，同時(shí)相比穩(wěn)壓電壓 IBA 系統(tǒng)還可以降低電源成本。