簡(jiǎn)而言之，就是要求電源管理解決方案能夠在更小的空間內(nèi)，更高效地生成更多不同的電壓和更大的電流，并降低噪聲。另外，如果說(shuō)這些要求還不夠具有挑戰(zhàn)性的話(huà)，那么這種解決方案還必須要實(shí)現(xiàn)低成本，這恐怕就頗具挑戰(zhàn)性了！
　　
更加靠近用戶(hù)地部署接入設(shè)備要求更小的附件(襯墊和安裝孔)，其必須能夠經(jīng)受得住較為惡劣的環(huán)境考驗(yàn)。由于局端的空間非常小，因此基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備將被設(shè)計(jì)為更加小型化。推動(dòng)電源管理產(chǎn)品發(fā)展的因素是外形尺寸、散熱管理、成本，以及電氣性能(穩(wěn)壓、瞬態(tài)響應(yīng)以及噪聲產(chǎn)生)。本文將讓您對(duì)板上電源系統(tǒng)的發(fā)展以及最新一代解決方案如何以更小的封裝實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的成本等方面有一個(gè)基本的了解。
　　
外形尺寸/效率/成本
　　
同時(shí)解決外形尺寸、效率和成本問(wèn)題的需要，再一次激發(fā)了人們對(duì)電源架構(gòu)的興趣。第一代板上電源使用的電源架構(gòu)被稱(chēng)為分布式電源架構(gòu) (DPA)(請(qǐng)參見(jiàn)圖1)。這種架構(gòu)每個(gè)電壓軌均使用了一個(gè)隔離式(磚形)電源模塊，因此其在電源軌非常有限的情況下能夠很好地工作，但是每增加一個(gè)電壓軌，成本和 PCB空間都會(huì)隨之大大增加。電壓軌的排序也同樣非常困難，而且還要求增加外部電路，從而會(huì)增加成本和板級(jí)空間占用。

圖1：典型的DPA架構(gòu)

為了解決DPA在尺寸和成本方面的局限性，第二代板上電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用固定電壓中間總線(xiàn)架構(gòu)(IBA)(請(qǐng)參見(jiàn)圖2)。IBA采用了單個(gè)隔離式磚形電源模塊和許多非隔離式負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器。POL可以是一些電源模塊(例如：TI的PTH 系列)，也可以是一些分立降壓轉(zhuǎn)換器。隔離式轉(zhuǎn)換器工作在與第一代板上電源系統(tǒng)相同的輸入電壓范圍上，即36V～75V或18V～36V。該降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)IBA電源，并將電壓穩(wěn)壓固定在3.3V、5V和12V。如何選擇電壓取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。憑借TI的Auto-Track等特性，這種設(shè)計(jì)可減少板級(jí)空間的占用，降低成本，簡(jiǎn)化電壓排序。這種架構(gòu)唯一的缺點(diǎn)在于效率較低，這是因?yàn)槊總€(gè)電壓都需要進(jìn)行雙轉(zhuǎn)換。

圖2：固定電壓IBA

當(dāng)今，大多數(shù)電信系統(tǒng)都使用固定電壓IBA。但是，由于接入設(shè)備設(shè)計(jì)采用了密封封裝(seaLED enclosure)，不再需要強(qiáng)制風(fēng)冷，我們就需要一款效率更高、占用面積更小的解決方案了。正如每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都了解的那樣，系統(tǒng)散熱的最佳方法就是避免熱量的產(chǎn)生。由于所有電能都要通過(guò)前端隔離式轉(zhuǎn)換器，因此在考慮提高效率時(shí)，前端隔離式[member]
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轉(zhuǎn)換器就是要重點(diǎn)討論的問(wèn)題。實(shí)踐證明，提高隔離式轉(zhuǎn)換器效率的方法是使其以固定占空比運(yùn)行，并且不對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓操作，這就是非穩(wěn)壓式中間總線(xiàn)架構(gòu)。

圖3：非穩(wěn)壓式IBA

這種架構(gòu)使用一個(gè)非穩(wěn)壓總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓成一定比例的輸出電壓。在本例中，ALD17 5：1轉(zhuǎn)換器生成了一個(gè)輸出電壓，該電壓為輸入電壓的1/5。這種技術(shù)允許一個(gè)150W系統(tǒng)/電路板實(shí)現(xiàn)1/16的磚形設(shè)計(jì)，從而在第一個(gè)轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn)96%的效率。有了寬泛輸入電壓范圍(4.5V～14V)的PWM以及TI的T2產(chǎn)品等電源模塊，就能采用這種非穩(wěn)壓式電壓架構(gòu)。這種架構(gòu)的局限性在于總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓范圍是36V～55V，以確保POL的輸入電壓小于12V。之所以最大不能超過(guò)12V，是因?yàn)镻OL要生成不高于1V的輸出電壓，輸入電壓不能超過(guò)輸出電壓的10～12倍。但是，越來(lái)越多的電信原始設(shè)備制造商(OEM)都在考慮轉(zhuǎn)而采用這種輸入范圍，以通過(guò)這種架構(gòu)來(lái)節(jié)約成本、縮小尺寸并提高效率。
　　
一些電信OEM廠(chǎng)商堅(jiān)持使用傳統(tǒng)的36V～75V的寬輸入電壓規(guī)范，輸入瞬態(tài)電壓為100V。為了滿(mǎn)足這些要求，電源行業(yè)推出了半穩(wěn)壓IBA(請(qǐng)參見(jiàn)圖4)。該半穩(wěn)壓IBA和非穩(wěn)壓式IBA之間的主要區(qū)別是，如果輸入電壓超過(guò)了55V～60V的范圍，那么該半穩(wěn)壓IBA就將輸出電壓穩(wěn)壓至10V左右。這種方法的缺點(diǎn)是，隔離式電源模塊必須增加尺寸來(lái)容納穩(wěn)壓電路，同時(shí)當(dāng)輸入電壓超過(guò)55V時(shí)其效率會(huì)降低。TI的PTQB系列就是這類(lèi)產(chǎn)品的一個(gè)例子。

圖4：半穩(wěn)壓IBA

架構(gòu)比較
　　
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[page]
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。

圖5：架構(gòu)的比較　　

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(chǎng)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(mǎn)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?，F(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(xiàn)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(mǎn)足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線(xiàn)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(mǎn)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(chēng)為T(mén)urboTrans的新型專(zhuān)利技術(shù)，其允許對(duì)模塊進(jìn)行自定義調(diào)諧以滿(mǎn)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。

圖6：具有TurboTrans特性的T2系列  　　

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(xiàn)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(mǎn)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。