如何為通信結構設備挑選合適的電源供應設計

通信結構設備采用的電源供應系統由多種不同的元件組成。已校正功率因素 (PFC) 的交流/直流電源供應器在前端部分設有負載電流共用及冗余核對功能 (N+1)，可為緊密聚集在后端部分的高效率直流/直流模塊及負載點轉換器提供饋電。我們必須采用極具能源效益的電源供應系統設計，才可為高電壓模擬電路提供供電，以及為高速數字通信特殊應用集成電路 (ASIC) 及現場可編程門陣列 (FPGA) 芯片提供高度穩定的低壓供電。
　　由于不同系統對電源供應器有不同的要求，加上通信市場也一直在變，而且變化相當大，令通信設備制造商不得不進一步節省生產成本，也不得不采用更具能源效益和更加可靠的電源供應解決方案，以保持他們在市場上的競爭優勢。
　　由于目前的營商環境充滿挑戰，因此全新的電壓分配總線標準便應運而生，最近推出的 +12 伏 (V) 中間總線結構 (IBA) 便是一個好例子。我們只要采用低成本的無穩壓 (開放環路) 磚型轉換器 (brick)，將 -48 伏總線轉為標準 +12 伏中間總線，便可使用新一代的低成本負載點 (POL) 模塊。這些采用單列直插式封裝 (SIP) 及表面安裝元件 (SMD) 封

裝的小型負載點模塊可為系統的不同負載提供低壓供電，而且這是一個極具成本效益的方案。
　　但這些新一代的負載點模塊還要面對不斷涌現的競爭對手，例如分隔混合式電源供應系統，其中包括采用級聯電流饋送或電壓饋送推拉式轉換器的系統。有些半導體供應商更特別為設計電源供應器的工程師提供設計支持，使他們可以將低成本的小型分隔式電源供應器直接嵌入主機板或線卡內。美國國家半導體新推出的高集成度 100 伏高電壓功率特殊應用集成電路 (ASIC) 如 LM5041 級聯脈沖寬度調制 (PWM) 控制器及 LM5030 推拉式脈沖寬度調制控制器不但可將所需的外置元件數目減至最少，而且也可將印刷電路板的面積盡量縮小。該款級聯轉換器能夠直接利用 -48 伏總線提供的供電，以產生多個低電壓輸出，整體效率比利用 +12 伏中間總線轉換器提供供電的負載點轉換器高，而成本則更低。
　　究竟應選用現成的負載點模塊與中間總線轉換器模塊，還是采用半導體廠商的嵌入式電源供應參考設計，以降低成本及提高效率？關于這個問題，設計電源供應器的工程師必須從中做出取舍。信息設備制造商開發新一代的低成本設備時，都比以往更為認真地研究成本、設計的復雜程度和不同風險的取舍。如果采用電源開關及內置的磁變壓器會令個人電腦電路板的設計過于復雜，即使嵌入式電源供應解決方案很明顯可以大幅節省成本及能源，始終會有部分廠商為不招致麻煩而拒絕采用這類嵌入式的電源供應解決方案。
　　對于設計較為簡單而又只需提供一個供電電壓的電源供應系統來說，加設變壓器所涉及的額外成本實在微不足道，而且也不會令設計更為復雜。但需要輸出多個不同電壓的電源供應系統在設計上便顯得較為復雜，特別是需要采用設有多個次級線圈、令設計更為復雜的變壓器。需要提供多個電壓輸出的設計也可采用較為復雜的穩壓電路，利用其可以感測多個電壓輸出的功能控制反饋環路。
　　網絡電話 (VoIP)、數字用戶線路 (DSL) 以及第三代移動電話基站的電源供應設計都必然有不同程度的復雜性。有多個因素會影響這三種電源供應設計的表現，我們將會在下文一一討論。
　　網絡電話 (VoIP)
　　網絡電話的直流/直流轉換器采用不太復雜的高功率單輸出變壓器設計 (典型電壓介于 250W 與 500W 之間)，以便為主 -48 伏電壓分配總線提供緩沖。配電式總線的電壓若要保持平穩，便需采用笨重的電容器，以便將 36 至 72 伏的傳統操作電壓范圍縮窄至 43 至 57 伏之間，而采用單電壓輸出變壓器的設計可將笨重電容器的成本及電容減至最少。所有下向變頻器或配電式總線上的其他負載也具有故障保護及安全隔離等功能。我們若采用可支持多個并行輸出及負載電流共用等功能的直流/直流轉換器，便可以提供故障承受 (N+1) 及散熱功能，有助降低系統操作時的溫度，使系統更耐用，性能更可靠。
　　一般來說，網絡電話轉換器需要的電源供應電路布局設計必須具備性能卓越 (高轉換效率，極低線路電流)、容易使用、具成本效益、以及外形小巧纖薄等優點。目前市場上有多種不同的布局設計可供選擇，每一種都在某一程度上可以滿足這些要求。例如，回掃轉換器便以其布局簡單而甚受歡迎。回掃轉換器與降壓轉換器 (如正向轉換器) 不同，回掃轉換器無需采用變壓器磁通復位機制或輸出電感器?；貟咿D換器雖然擁有這些優點，但用于某些應用方案時 (尤其是高輸出電壓系統如網絡電話應用方案)，便需要加設昂貴的電容器，才可在輸入及輸出端過濾較大的紋波電流，這是回掃轉換器的缺點。但我們只要在反相位內交錯使用兩個轉換器，便可減低紋波電流，將回掃及正向轉換器的紋波電流問題緩解。若所有因素 保持不變，交錯系統的輸入及輸出紋波電流遠比那些采用一個轉換器的系統少。
　　對于網絡電話系統來說，推拉式轉換器 (圖1) 是一個成效遠比回掃轉換器理想的解決方案。推拉式轉換器基本上由兩個交錯的正向轉換器組成，但其中只有

一個可自行復位的變壓器以及一個輸出電感器。以此來說，推拉式轉換器只比一個獨立的正向轉換器稍微復雜一點，其紋波電流因為交錯效應的關系而得以大幅減少，也因為這個緣故，推拉式轉換器可以使用較小型的輸入電感器。由于輸出電感器會將輸出紋波電流減弱，因此推拉式轉換器可以使用額定紋波電流較低的低成本電容器。一般的回掃轉換器只適用于不超過 150W 左右的功率轉換，但推拉式轉換器可以在高達千瓦的功率水平下正常操作，而且成效令人滿意。
　　此外，需要發揮更高轉換效率的網絡電話系統可以采用較為復雜的布局，以確保輸入電壓處于兩個極端時，系統仍可發揮極高的效率。設有電流饋送推拉式轉換器的級聯降壓布局設計便是一個好例子。(注意：最適用于這種布局的 LM5041 專用脈沖寬度調制控制器已有大量現貨供應。) 這個混合布局最適合高功率的系統采用。此外，這個布局也適用于高效率及高性能的系統，由于采用這個布局 會令效率及性能有所提升，因此即使成本較高也是值得的。

圖 1適用于網絡電話 (VoIP) 應用方案的推拉式轉換器

　　數字用戶線路 (DSL)
　　數字用戶線路 (DSL) 的應用方案可以采用以 -48 伏供電提供多個電壓輸出的轉換器。這個轉換器內含一個設計更復雜、功率更低的多輸出變壓器 (50-100W)。這種 DSL 電源供應系統可以為高壓模擬線路驅動器及放大器提供供電 (典型電壓為 +/-12 伏)，也可為特殊應用集成電路提供多個低壓供電 (+5 伏、+3.3 伏、+1.8 伏及 +1.5 伏)。設有多輸出 DSL 轉換器的電源供應系統必須采用高性能的布局設計，例如可以支持高轉換效率以及具備卓越的負載與線路穩壓能力，而且必須設計簡單、成本低廉、以及外型小巧纖薄。