高速通信產品電源適配器設計

   高速通信產品(如ADSL? ROUTER等)通常需要一路或多路低電壓供電電源適配器,如3.3V電源適配器2.5V電源適配器甚至1.8V電源適配器?由于MCU或DSP處理速率很高,因此消耗電流也很大,比如16路ADSL局端板的3.3V電源適配器需要高達8A的電源適配器,而1.8V電源適配器需要的供電電流則更大(達10A)?雖然傳統的開關電源適配器模塊能夠滿足上述要求,但在成本?體積?熱損耗等方面仍給電源適配器生產廠家帶來很大的壓力?因此,本節介紹幾種優化電源適配器設計的實際電路

  1.利用開關電源適配器模塊

  傳統的通信產品需要的電源適配器數目較少,且通常以+5V為主電源適配器,開關電源適配器不失為一種好的選擇?但是隨著高速?寬帶通信產品的出現,DSP或MCU所需要的供電電壓越來越低,內核電壓已降至3.3V?2.5V甚至1.8V?另外,為了能與外部芯片,例如 ELASH? SDRAM及其他外圍器件接口,還需要5V?3.3V供電電壓?對于這類需要多組電源適配器供電的產品,電源適配器設計面臨著體積大?價格昂貴?低壓大電流輸出,特別是多路輸出時效率較低等諸多挑戰?如果完全采用電源適配器模塊,則會使產品成本增加?系統供電壓力增大,更重要的是所占線路板面積較大,從而造成系統PCB布局困難?因此,設計時需合理地將電源適配器模塊與DC/DC轉換芯片相結合,對電源適配器進行優化設計

  2.利用線性調節器獲得低壓輸出

  利用線性穩壓器從5V或3.3V電源適配器中采用降壓方式來獲得所需要的3.3V?2.5V或  1.8V電壓?在系統所需低壓電源適配器電流較小時(如幾百毫安),采用圖8-40所示電路是一種較  好的低成本解決方案?不僅如此,由于線性電源適配器具有干擾小?輸出噪聲低等優點,它還能為  DSP或MCU內核提供很穩定的電壓?然而,如果內核需要低壓電流較大時,譬如有的16路  ADSL可能需要1.8V電源適配器提供10A的輸出電流,千兆以太網交換系統可能要求3.3V電源適配器  提供8A的電流?對于前者,如果是從3.3V電源適配器中采用線性電源適配器降壓方式獲得1.8V電壓則該電源適配器消耗的功率P1=(3.3V-1.8V)×10A=17W,轉換效率僅為Pou/(P1+Pout)=18/33=54%?除此之外,該電源適配器為了保證正常工作,需要占用很大的PCB面積以便散熱同時負載還需要與該電源適配器保持一定距離,否則系統性能會由于溫升太高而受到影響?

 3.采用升壓型DCDC開關變換器

  如果系統外圍器件所需要的3.3V或5V電源適配器電流較小(比如2A以下),而DSP或MCU所需的3.3V或5V電源適配器電流較大(比如5A以上),則如圖8-41所示電路具有較高的性價比?  當然也可采用圖8-42所示的降壓方案,但它會消耗更多熱量,因此占用更多的PCB?假定+5V/40W電源適配器模塊與+3.3V/35W模塊具有相同的價格和相同的轉換效率(85%),并假定圖8-41與圖8-42中的開關電源適配器具有相同的變換效率(90%),則升壓電路輸入功率為11.1W而降壓電路輸入功率為18.3W,因此5V電源適配器模塊需要的總功率為37.3W的輸入功率,而3.3V模塊只需要27.6W就可滿足供電要求?因此,采用圖8-41方案可有效地減小功耗.

圖8-41低成本的輕載高電壓輸出電路

  4.采用降壓開關電源適配器

設計電源適配器時除了功耗?價格?體積等因素×SWPs必須考慮外,電源適配器的輸出噪聲,特別是輸出紋MAXI714波的大小也必須考慮?如果DSP或MCU內COOD降低到1.8V,外圍電路的供電要求為電荷泵電源適配器3.3V/2A?此時如果繼續采用圖8-41所示方案,那么電路中的前級開關電源適配器模塊在將圖8-42低壓大電流供電電路輸入電壓(如-48V)直接變換到內核所需的+1.8V(5A)電壓時,其輸出噪聲通常會超過內核電壓所允許的波動范圍(士50~±100mV)?雖然增加濾波電路會降低噪聲,但占用PCB的面積較大;同時,由于1.8V輸出的開關電源適配器的轉換效率比+3.3V輸出的開關電路的效率更低因此熱損耗更大?加之還需要由它升壓提供3.3V/2A電源適配器,進一步加劇了發熱問題?如果利用圖8-42所示的降壓型電路,由DC/DC轉換模塊提供3.3V電源適配器,由于圖中的MAX1714的偏置電壓最低不小于4.5V,因此需要增加一個升壓芯片將3.3V電壓變為5V,而MAX1714內部控制及偏置電路所需的5V電源適配器僅需要不到40mA電流?因此利用圖中虛線所示的電荷泵電源適配器MAX619即可解決問題?而MAX1714由于采用了同步開關整流技術,轉換效率比普通速流變換器提高七八個百分點,因而其電源適配器的轉換效率可高達90%以上?

圖8-42低壓大電流供電電路

5.利用電荷泵獲得負電源適配器

  在SD)H傳輸設備中,通常需要一個一5V電源適配器給時鐘盤供電,過去通常利用圖8-43所示電路,這并不是最簡單?最廉價的解決方案?如果采用圖8-44所示電路,則使成本?線路截面積降低許多,而且電源適配器輸出紋波較低,電磁噪聲干擾更小會外部電感就會NP↑NMAXT6IONMAXI673OUI圖843負電壓輸出轉換器圖8-44帶負電荷泵的負壓變換器 高速?寬帶通信產品由于DSP或MCU運算處理速率越來越高,工作電壓越來越低,消耗功率也越來越大,如果需要多路低壓大電流供電,則傳統的開并電源適配器模塊及線性電壓調節器已不能滿足要求,因此需要結合當今高效?低壓開關集成電源適配器技術才能更好地解決問題?雖然利用DC/D)(C開關電源適配器設計所需電源適配器與采用模塊電源適配器相比需要外部配套元件及一定的設計經 驗,但它卻能大幅度降低電源適配器成本?減小電源適配器所占PCB的面積,同時提高轉換效率,在具體設計中到底是采用功率集成電源適配器還是采用電源適配器控制器,需要根據系統供電的實際情況統籌考慮?