现代通信系统电源设计

　　　　　　　　　　　　　　　　作者：美国国家半导体公司电源产品市场部战略市场经理 Donald Ashley

　通信基础设备使用的各种电源系统元件有很多种，从前端的功率因子校正 (PFC) 交流/直流电源到后端的高效直流/直流模块（块）和负载点 (POL) 转换器都有。现代通信直流/直流电源的应用，从需要很高效率的中间总线式转换器 (IBC)，到那些日趋细小轻巧的语音 IP (VoIP) 数字电话，以及要求多路紧密调节电压（7 路至 13 路输出）的数字用户线 (xDSL) 电源等，范围很广泛。

　中低功率应用（15W-100W)通常使用低成本的单端正向或回扫拓扑结构来设计这些电源模块，而推挽式、半桥和全桥拓扑结构在功率更高的应用 (100W-1000W+) 中很流行。中间总线架构 (IBA) 是一种新型分布式总线标准，它利用一种低成本的非稳压（开环）中间总线式转换器 (IBC) 将 –48V 通信总线转换到 +12V 中间总线，从而通过使用低成本的负载点(POL)模块简化板上电源设计。

　美国国家半导体公司最近发布了一系列新的高压电源转换数字特殊应用集成电路（ASIC），即 LM5000 系列，该系列提供了多种脉冲宽度调制（PWM）控制器驱动器芯片组，用于这些最新而先进的电源系统设计中。这些芯片能承受高达 100V 的输入电压，满足了通信系统电压瞬态规范的应力限制。它们工作于超过 1MHz的开关频率，与现有的解决方案相比，提高了电源效率，并成为众多电源应用的基准。该系列从低成本的中功率正向拓扑结构（使用 LM5025 电压模式有源钳位PWM 控制器），到中功率 IBA 转换器（使用 LM5033 半桥或推挽 PWM），再到最先进、功率最高的级联式电流馈电拓扑结构（由 LM5041 和 LM5100 控制器驱动器芯片组支持），覆盖了所有的功率级别。

　新型 IBA 电源系统方法需要两级转换：首先是非稳压隔离级，然后是多个紧密调节的负载点板上安装的直流-直流电源模块。隔离级（称作中间总线转换器）的拓扑结构一般是开环、非稳压、自由运行"直流变压器"，被选择用来隔离和降低总线电压，同时保证低成本和高功率转换效率（大于 95%)。双输出 LM5033 PWM 控制器和 LM5100 半桥驱动器构成一个理想的芯片组解决方案，能将这些中间总线转换器设计中需要的外部元件成本和数量降至最低。

　　图 1 以典型的通信电源总线转换器设计中的 LM5033/LM5100 芯片组为例，在该设计中，40-60V 输入总线电压通过一个隔离变压器，向下转换至 10-15V 中间总线电压，并分配至下游安装在板上的负载点模块中。通过维持LM5033 双控制器的输出在一个恒定的 50% 占空比，实现了最高的电源效率，这样做降低了开关 FET 和同步整流器上的电流和电压应力，同时改善了变压器的线圈使用率。

图 1 LM5033 中间总线转换器

　IBA 两级架构的竞争对手是更传统、使用回归或正向拓扑结构的单级隔离电源。与那些用于IBA 方法的紧密调节负载点模块相比，这些电源虽然提供了富有竞争力的成本和电源效率，但很难在多个输出维持良好的稳压。

　与标准的正向转换器相比，有源钳位正向转换器提供了更高的效率，而且在中功率应用 (50-200W) 中更受欢迎。有源钳位正向转换器部署了一个有源复位 FET 和电容器，在损耗最低的情况下使核心复位。钳位电容器捕获磁化能量和释放能量，并把它们返回源极，从而提高了电源转换效率。

　图 2 描绘了典型的48V 单级通信电源设计中的 LM5025 有源钳位正向控制器，其工作输入电压范围是 36 至 75V，额定输出在 3.3V 时可高达 100W。该控制器的两路输出直接驱动 N 通道功率金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET）和 P 通道复位 MOSFET。这两路驱动器输出的大小不同，主输出产生较大的 3Apk 门极驱动，其目的是迅速开关大功率 MOSFET 以便降低开关损耗。复位 MOSFET 的输出要小得多，这是因为它只传导磁化电流，因此门极驱动器的大小仅为 1Apk。要实现最高的效率，两路门极驱动器输出之间的时序延迟就甚为关键，而 LM5025 控制器就具备了这样的一个可编程功能。

　对于输出电压较低的应用方面，就有必要使用同步整流器以实现较高的整体电源效率。有源复位方案适合使用同步整流器，这是因为同步整流器可以直接通过次级变压器自我驱动，如图所示。

图 2 LM5025 正向有源钳位转换器

图中文字的译文：up/down sync - 向上/向下同步

图 3 展示了 LM5041 级联式控制器和 LM5100 半桥驱动器组合而成的芯片组，用于设计双级级联式降压馈电转换器。该转换器包含一个高压降压前级稳压器，用于在推挽电源变压器级维持一个固定的电压，这个变压器级被用作"直流