应用于通信系统的分布式电源设计要求

1 引言

　　随着现代集成电路生产工艺的改进，超大规模集成电路所需硅片的面积越来越小，集成度也越来越高，依据IC业界的摩尔定律这一趋势仍然在继续。以最具有代表性的美国INTEL公司的奔腾系列处理器芯片为例，从刚开始的Pentium到现在的Pentium 4微处理器，在短短的不到十年的时间内，生产工艺从0.35um将发展到65nm，集成度从几十万门到上亿万门晶体管，时钟频率从MHZ提升到GHZ，增加了一个数量级，供电电压从当初的5V下降到现在1.8V，甚至更低，然而所需电流却大幅增加。这种低电压/大电流的发展趋势必然导致对芯片供电电源提出极为严格的要求，这些要求包括低内阻、低纹波、高效率、软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔、提供冗余备份等，更严格的还会要求上/下电顺序控制、在线数据监测等等，通信设备、计算机领域由于大量采用集成芯片，这种要求更是显得重要。

2 现代通信设备供电系统的发展

　　现代通信设备不论大型固定交换系统还是移动通信或是专网的集群通信系统，它们的供电结构一般都是以-48V或+24V集中供电。系统中会有一个或多个DC/DC模块电源板，将DC供电汇流母排上的电压转换成线路板上的工作电压。

2.1 通信系统供电方式的分类

　　从通信系统供电方式的发展历程来看，主要经历了三种方式的演变：集中式供电、分层式供电和分布式供电。

2.1.1 集中式供电：用1个或1＋1备份方式的大功率电源提供整个系统的各种电压的需求，此类供电方式已经很少应用。

2.1.2 分层式供电：先由大功率的AC/DC机柜电源提供统一的-48V或+24V集中供电到通信系统，而系统机架的每一层都有一个或几个中功率电源板供电给本层线路板，所产生的电压有一种或多种，并依据功率大小提供多种母线排。

2.1.3 分布式供电：同样先由大功率的AC/DC机柜电源提供统一的-48V或+24V集中供电到通信系统，系统机架每块线路板上各有一个或几个小电源供电，将-48V或+24V的母线电压直接转换成线路板各自所需电压。

2.2 三类供电方式的比较

　　在这3种供电方式中，集中式供电的造价最低，因为系统中只有一个电源，但它的可靠性最低，一旦出现故障，便会影响到整个通信系统的正常工作；分布式供电的可靠性、灵活性高，因为每块板上都有独立的电源，系统扩充时不会受现有电源的功率及电压所限制，而且具有相当好的通用性，但价格方面要贵一些；分层式供电的性能和造价方面在前两者之间，因此仍有相当多的通信系统采用这一供电方式。目前各大通信运营商所采用的国内外大型局用交换系统、移动通信基站等主流运行的通信系统大都采用分层供电结构。有些厂商为了增加系统的可靠性，使用的电源板采取了1＋1备份方式，也有部分厂商采用了N+1冗余备份方式。可以说分层式供电是目前性价比最高的一种供电方式。

2.3 分布式供电是通信系统供电方式发展的必然趋势

　　随着对通信系统可用度要求的提高，需要采用更高可靠性的供电方式。使用分布式供电方式时，由于每个电源的功率较小，发热量亦较低，加上电源的发热量是平均散布在系统的机箱内的，散热比集中式供电更容易，效果更好，电源在低温工作中更加可靠；而且电源的分散度越高，电源一旦发生故障所影响的范围亦越小，系统也就越可靠。
　　随着新一代数字芯片的出现，系统的工作电压有降低的趋势。为了提高芯片的运行速度、降低功耗，12V及5V的使用开始减少，而3.3V和2.5V甚至到达1.8V的使用则开始增加。在这种趋势下，因DC电压配电的电阻所产生的电压降，在低工作电压时变得更明显和难以克服。这时只有采用分布式供电方式，因为DC/DC电源的分散度越高，工作电流越低，配电的电压降也就越低，就适合低压应用了。现代通信系统越来越多的采用超大规模集成电路，目前主流的分层式供电方式已经不能很好的满足要求了。最理想的做法，便是每块板有一个独立的电源进行供电，也即采用分布式供电方式。
　　另外，还由于通信需求发展的速度非常快，为了能够跟上发展的速度，一个好的通信系统，在设计之初，就必须要考虑到它今后的扩充性，而将线路板的密度提高是一种非常简便的扩充方式。在这种思路下，供电方式的选择尤为重要。举例而言，在一个SDH光传输系统中，一层机框有16块光传输线路板，每块线路板做了一路光收发电路。假设每块线路板耗电为2A，则总耗电为32A，此时电源板若采用一个60A/300W的电源模块能满足要求，因此可以采用分层供电方式，但是随着需求的增加，光路不够了，要对系统进行扩展，就需要将线路板的密度提高，每块线路板上要做2路或4路光收发电路。此时，耗电量一下子增加了2倍或4倍，分层供电的电源板已远远不能满足需要，而且即使能满足，可靠性也会变得极差。而采用分布式供电结构则没有此问题，可随意进行扩充。所以，分布式供电是实现系统扩充性的最佳选择。
　　综上所述，通信系统的供电方式从分层式向分布式转变是一必然趋势。在欧美日等技术先进国家，通信系统中采用分布式供电已经比较普遍。相比之下，国产通信系统供电方式改变的步伐则明显慢一些。就目前而言，分层供电方式在造价、性能及可靠性的取舍中较符合国情。长远而言，国产通信系统采用的供电方式必然要跟随国际的趋势，向更可靠更灵活的分布式电源供电方式过渡。广州金鹏集团有限公司推出的3G产品CDMA 1X EVDO通信系统，便采用了国际上流行的分布式供电方式设计，大大提高了系统的可靠性。

3 通信系统中分布式供电设计要求

　　在高端电信和网络设备中，分布式电源已成为主流应用方式。通常背板母线电压为24V或者48V，每块插板用一个或多个DC/DC电源模块将母线电压转换为板内系统所需电压，同时采用非隔离型负载点转换器得到高功率低电压电源。采用分布式电源供电时，最关键的问题是对每块线路板所采用的DC/DC电源模块的考虑。一般要求具有低内阻、低纹波、高效率、软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔、提供冗余备份、宽的温度范围等，更严格的还会要求上/下电顺序控制、在线数据监测等等。

3.1 低内阻、低纹波的要求

　　系统电路中使用元件的运行速度越来越高，对供电方式也提出了更高要求。例如高速微处理器，当由休眠状态转入正常工作状态时，其负载电流的变化速度可高达1000A/μs，这样高速的电流变化要求DC/DC电源要放置于最接近元件的位置上，缩短电源到负载的距离，以减小配电线路的寄生电感在负载电流高速变化时所导致的电压波动，这就要求选择低内阻的DC/DC电源模块和设计低阻抗的供电线路。有时甚至很难选择到拥有如此优良动态特性的电源模块，而需要在负载点周围采用多相驱动的方式，由数个相互关联的电源一起承担起芯片所需的电流。另外由于芯片供电电压的降低，要求开关电源模块的纹波噪声相应的下降，这对高频开关电源来说也是一大难题。相对而言，低纹波的电源模块还是有相当厂商能提供，例如VICOR、TYCO ELECTRONICS等知名模块电源厂商均有种类繁多的品种。

3.2 高效率的要求

　　随着集成电路工艺的发展，MOSEFET的工作频率越来越高，通态电阻越来越小，而软开关控制技术的发展，同步整流技术的应用使得开关电源的损耗越来越少，效率越来越高。高效意味着电源产生的热量少，可靠性更高。目前国外最新型模块电源的效率已经达到90%以上甚至更高，设计者应该优先选择高效率的模块电源。

3.3 软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔

　　这几种要求对于现代通信系统的安全、稳定、可靠地工作非常重要，但往往容易被忽视。芯片的供电电压越低，它所能承受的电压范围也越窄，一旦电源在开关机过程中产生过冲电压，便极易被烧毁。电源的软启动和防浪涌、防开关机过冲是紧密联系之一起的，具备了软启动功能，便能减少开机的冲击电流，容易实现防输出过冲，但是在外围的输入输出电路中仍然要加上TVS管来吸收浪涌电压。支持热插拔是通信系统易维护性的要求。这一要求的关键在于开关电源的热插拔，目前有不少专用于热插拔监控的集成芯片，只需要添加少量的外围电路便可使得电路板具备热插拔的功能。比如通过电路板的助拔器的运动带动传感器检测出电路板下一步的动作，提前关闭或延迟启动电源模块，使得电路板实际上处于断电状态下进行插拔。

3.4 提供冗余备份

　　这种要求纯属为提高系统可靠性而采取的冗余设计，许多电源的设计者不太重视冗余备份。这种冗余备份可以通过系统设计时电路板的备份来实现，从电路板的整体MTBF来看，单纯的在单块电路板上设计冗余电源的意义不大。

3.5 宽的温度范围

　　由于通信系统在户外应用的情况增多，因此要求电源的温度范围要宽，以应付在户外应用时由严寒至酷热的不同环境温度。一般的DC/DC电源模块的工作温度范围只是在0℃～+70℃，而户外应用的工作环境温度要求-40℃～+ 85℃，因此这类电源不适合在没有空调设备的户外应用。设计者应根据通信系统应用环境的温度变化范围选择适合的电源模块。

3.6 上/下电顺序控制

　　随着现代通信系统的复杂程度增加，各类数字集成电路被应用到一块电路板上，为了系统运行的稳定性，协调控制不同供电电压集成芯片的启动与关断，电路板往往要设计有上/下电顺序控制。TI公司就有针对这一领域的应用而开发出专门用于线路板上电顺序控制的芯片，同时提供了具有Auto-Track排序功能的PTH系列负载点（POL）插入式电源模块，可以让设计者非常容易地实现多模块电源的上电或断电顺序控制。

3.7 在线数据监测

　　为提高通信系统整体运行的稳定性和可靠性，往往要求对所有运行中的电路板实行在线数据监控，通过I2C总线或RS-485串行通信线汇集到监控模块中去，电源的电压值必须在受监测的范围内。

3.8 整机系统的散热

　　在整个通信系统功率较大的情况下，必须要考虑强迫风冷，一般采用转速达到要求的风扇，形成从下至上的空气流，将电路板散发出来的热量带走。系统机柜结构应考虑合理的风道，使得这个机柜的热量均匀散发，避免热量集中的地区空气滞留。另一个容易忽视的方面是对风扇要考虑监测故障告警信号和转速动态调整。

4 结束语

　　针对应用于通信设备的分布式电源，本文从应用的角度提出了设计上要注意的几个方面，希望能对从事通信设备供电设计的工程师们起到一点借鉴作用。

参考文献

[1] 张天宇. 分布式电源--通信系统供电的必然趋势. 通信世界报. 2003,11,19。
[2] 勾淑婉. 台联电欲开创崭新的晶圆代工营运模式. 电子工程专辑. 2003,3,16~31。