安森美半導(dǎo)體DC-DC電源參考設(shè)計(jì)示例

近年來(lái)，隨著電信技術(shù)的發(fā)展及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速擴(kuò)大，數(shù)據(jù)通信設(shè)備和電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷走向融合，這就需要可靠的電源系統(tǒng)來(lái)為這些應(yīng)用供電。傳統(tǒng)的電源架構(gòu)是集中式電源架構(gòu)，即單個(gè)電源從交流輸入線路向所有需要的輸出提供功率轉(zhuǎn)換，這種架構(gòu)的成本最低，但可靠性和靈活性差。而數(shù)據(jù)通信中的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(yīng)盡可能地接近負(fù)載，所以如今大多數(shù)應(yīng)用中采用的是分布式電源架構(gòu)。相應(yīng)的，分布式電源系統(tǒng)(DPS)對(duì)系統(tǒng)中不同設(shè)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。

圖1：安森美半導(dǎo)體針對(duì)電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供的分布式電源解決方案。

對(duì)于分布式電源系統(tǒng)而言，常見(jiàn)的是-48 V分布式電源系統(tǒng)。通常情況下，交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器將交流輸入電源轉(zhuǎn)換為-48 V直流電源，同時(shí)給備用電池(蓄電池)供電。通過(guò)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(guò)直流-直流(DC-DC)隔離電源轉(zhuǎn)換和非隔離電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)負(fù)載提供所需的電壓電平。所謂隔離電源轉(zhuǎn)換，即輸入和輸出之間采用高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離；而非隔離電源轉(zhuǎn)換的主電路中則沒(méi)有高頻變壓器。

安森美半導(dǎo)體針對(duì)電信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的分布式電源應(yīng)用提供一系列的DC-DC解決方案(如圖1所示)。本文將針對(duì)隔離和非隔離電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用共選擇3種應(yīng)用作為示例，分析它們適合采用的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及關(guān)鍵元件，特別是安森美半導(dǎo)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(shè)計(jì)，幫助他們加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

1) 隔離電源轉(zhuǎn)換：基于CS51021的隔離型5 A輸出網(wǎng)絡(luò)電源參考設(shè)計(jì)

為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和關(guān)鍵元件非常重要。一般而言，有幾項(xiàng)關(guān)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(biāo)、隔離要求和保護(hù)性能等。相應(yīng)的，這網(wǎng)絡(luò)電源參考設(shè)計(jì)相應(yīng)的目標(biāo)規(guī)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(guò)壓保護(hù)，目標(biāo)能效高于85%，有隔離要求，且必須使用陶瓷電容。

從上述目標(biāo)規(guī)范來(lái)看，我們可以看出其輸出功率要求相對(duì)較低，僅為25 W。而在15 W到100 W功率的通信應(yīng)用中，通常使用低成本的單端正激或反激轉(zhuǎn)換器。具體在本參考設(shè)計(jì)中，我們選擇正激轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，且輸出和輸出之間隔離。相應(yīng)地，可以采用安森美半導(dǎo)體的CS51021。

CS51021是安森美半導(dǎo)體推出的一款固定頻率電流模式脈寬調(diào)制(PWM)控制器，提供構(gòu)建交流-直流(AC-DC)和DC-DC初級(jí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供高達(dá)1 MHz的開(kāi)關(guān)頻率，可用于優(yōu)化轉(zhuǎn)換器尺寸及其能效；具有1A的漏/源極門(mén)驅(qū)動(dòng)能力，適合高能效操作；具有可編程斜坡補(bǔ)償功能，提高了穩(wěn)定性。其它特性包括可編程逐脈沖過(guò)流保護(hù)、帶有前沿消隱的電流模式控制、具有可編程遲滯的過(guò)壓保護(hù)、雙向同步等。

圖2：基于CS51021構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)電源參考設(shè)計(jì)的主要規(guī)范。

圖2顯示的是基于安森美半導(dǎo)體CS51021控制器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)電源的主要規(guī)范及演示電路板圖片。考慮到相關(guān)設(shè)備也可能會(huì)采用備用電池進(jìn)行工作，這參考設(shè)計(jì)提供的輸入電壓范圍比48 V±20%更寬，達(dá)到36 V至72 V。在能效方面，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，5.0 A輸出電流時(shí)的能效也高于85%，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

2) 隔離電源轉(zhuǎn)換：基于NCP1031的2 W偏置電源參考設(shè)計(jì)

針對(duì)基站和網(wǎng)絡(luò)中的偏置電源應(yīng)用，我們假定其目標(biāo)規(guī)范為：輸入電壓+48 V、輸出電壓12 V、輸出功率2 W，目標(biāo)能效高于80%，有隔離要求。這些目標(biāo)規(guī)范要求應(yīng)用具有小尺寸和高功率密度，支持元件數(shù)量盡可能地少，并且具有寬輸入范圍，覆蓋+48 V電信應(yīng)用。

針對(duì)這方面的應(yīng)用要求，我們可以采用安森美半導(dǎo)體的PWM控制器及電源開(kāi)關(guān)NCP1030。實(shí)際上，NCP1030及NCP1031是安森美半導(dǎo)體推出的一系列小型高壓?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有片上開(kāi)關(guān)及啟動(dòng)電路，能夠配置為正激或反激等單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其中，NCP1030適合于需要高至3 W功率的應(yīng)用，而NCP1031適合于需要高至6 W功率的應(yīng)用，本參考設(shè)計(jì)中我們選擇的是NCP1030。

NCP1030具有內(nèi)部啟動(dòng)穩(wěn)壓器，直接采用輸入電壓進(jìn)行供電，還集成門(mén)驅(qū)動(dòng)和200 V電源開(kāi)關(guān)，降低了電磁干擾(EMI)。其中的電源開(kāi)關(guān)電路采用SENSEFET?技術(shù)來(lái)監(jiān)控漏電流(NCP1030的漏電流限制閾值為0.5 A)，用于提升能效?？偟膩?lái)說(shuō)，NCP1030是一種集成方案，集成開(kāi)關(guān)管、PWM控制器及監(jiān)控電路。采用NCP1030實(shí)現(xiàn)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(jìng)爭(zhēng)器件實(shí)現(xiàn)的偏置電源占位面積達(dá)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(jié)省超過(guò)90%的占位面積。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，基于NCP1030的偏置電源實(shí)現(xiàn)高于80%的能效，線路穩(wěn)壓精度和負(fù)載穩(wěn)壓精度分別達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合目標(biāo)規(guī)范要求。

3) 非隔離電源轉(zhuǎn)換：基于NCP3121的電信負(fù)載點(diǎn)電源參考設(shè)計(jì)

分布式電源系統(tǒng)一種常見(jiàn)的電源分配方法是先將48 V電壓先轉(zhuǎn)換為12 V電壓，再通過(guò)負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器將12 V電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓，常見(jiàn)的有5.0 V和3.3 V等。相應(yīng)地，我們假定這POL電源參考設(shè)計(jì)的規(guī)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(wú)隔離要求，小尺寸及高功率密度等。

圖4：NCP3121內(nèi)置自動(dòng)追蹤和排序功能，無(wú)須使用外部排序器

電信應(yīng)用中的負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器會(huì)涉及到為DSP、ASIC、FPGA或CPU等敏感電路供電，需要提供不同負(fù)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(yīng)地，我們可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP3121集成雙路3 A降壓穩(wěn)壓器。這器件設(shè)計(jì)用于需要高能效的低壓應(yīng)用，能夠產(chǎn)生低至0.8 V的輸出電壓。這器件具有200 kHz至750 kHz的可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率(由外部電阻設(shè)定)，具有寬溫度范圍的精密內(nèi)部參考，采用改善熱性能的QFN封裝。NCP3121能夠作為獨(dú)立開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器操作，同時(shí)內(nèi)置自動(dòng)追蹤和排序特性，保護(hù)上電和掉電的排序，防止錯(cuò)誤數(shù)據(jù)加載至輸入/輸出(I/O)緩沖器，保護(hù)ASIC等免受損傷，如圖4所示。NCP3121內(nèi)置的自動(dòng)追蹤和排序能力，消除了使用外部電源排序芯片來(lái)管理這項(xiàng)功能并保證性能的需要。

基于NCP3121的雙路輸出3 A/3 A電信負(fù)載點(diǎn)電源參考設(shè)計(jì)采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(fù)載點(diǎn)電源應(yīng)用要求。

安森美半導(dǎo)體針對(duì)電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供完整解決方案。安森美半導(dǎo)體公司廣泛的產(chǎn)品系列包括電源、模擬、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、混合信號(hào)、先進(jìn)邏輯、時(shí)鐘管理、非易失性存儲(chǔ)器和標(biāo)準(zhǔn)元器件。在電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，安森美半導(dǎo)體提供完整解決方案，除了上述DC-DC電源解決方案及高能效的參考設(shè)計(jì)，還包括時(shí)鐘分配、時(shí)鐘產(chǎn)生、射極耦合邏輯(ECL)邏輯、運(yùn)算放大器、比較器、信號(hào)和接口、浪涌保護(hù)和靜電放電(ESD)保護(hù)等，輔以高效的供應(yīng)商和高質(zhì)量的制造，更加全面地滿足客戶需求，幫助他們?cè)谑袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。