随着数字技术的不断进步,各种电子系统均采用了各种高效能的计算集成电路,例如CPU、FPGA和存储器等,并使得计算速度越来越高。由此出现的情况是:一方面系统的电源电流不断增加；而另一方面,由于这些器件采用了更为精细的工艺,例如0.18μm的制造工艺,工作电压也下降到将近1V。这种低电压大电流容易导致功率损耗,因此传统的开关电源已不能满足实际应用。
近年,分布式或负载点电源结构逐渐被各种电子系统所采用,从大型的通信系统,到机顶盒或家用电脑之类的消费电子产品,都可以发现它的影踪。本文将重点说明在机顶盒及通信系统中存在的电源问题及相应的解决方案。
机顶盒电源系统
机顶盒的功能是根据内容供应商所提供的服务而定,因此,它的结构组合是多样化的。在数字机顶盒的功能块中,从接收器、32位微处理器、不同偏压的数字电路到周边设备,以及输入/输出电路,都各有特定的电源电压要求。如此多变的系统,传统的多输出回扫电源供应器(Multi-Output Flyback Supply)若要满足这种要求,需解决一些现存的问题。
多输出回扫电源供应器存在的问题:
1. 设计时间长:需6至9个月或甚至一年的时间；
2. 效率不高:约为75%；对于低电压大电流的应用,效率相对较低；
3. 性能较低:对于所有输出都经磁耦合及瞬态响应而降低交叉稳压及瞬态响应；
4. 输出次序(Supply Sequencing)难以确定。
了解上述问题后,厂商开始应用负载点电源供应器。和多输出回扫电源供应器比较,负载点电源供应器具有以下的优点。
1. 设计周期缩短
图1显示负载点分配式电源电路的结构。12伏的分配电压是由经认可的低成本交流/直流电源供应器提供,再经不同负载点稳压器,输出不同电压电流到个别电路。采用这种设计可将产品开发及批量生产过程所需时间减少4-6个月,并且灵活多变。
2. 提高系统效率
通过选择不同的负载点稳压器,配合所需的线路和负载稳压以及瞬态响应,例如选用同步开关稳压器,可减少在低电压大电流中的损耗。
3. 可按次序启动电源
若采用负载点设计,所有电源供应都可以先行排序,让驱动器的供电有足够时间稳定下来才启动其它电源供应。
电源供应器若采用加设排序功能的局部稳压器,更容易符合能源星(Energy Star,2001年1月,美国推出的适用于D类家电产品的计划)标准的最新规定。如果关闭非必要电路并采用局部待机稳压器,还可以轻易提供局域网唤醒适配卡(Wake-On-LAN)和能源星所需的其它功能。负载点电源供应器可将每一稳压器的启动电源管脚连接到链路上的下一个稳压器的管脚,以支持局部排序功能。
通信电源系统
模块化是开关电源的重要发展方向之一。习惯上把AC/DC高频开关整流单元或DC/DC直流开关变换单元都称为电源模块(Power Module)。在通信电源系统中,电源模块随处可见。在市场上也有各式各样的品牌,随着低电压大电流电源设计需求的日异增多,开始出现了下面一些新问题。
电源模块通过电源连接器,将电压分配到主机板上；当输出电压在1V-1.5V范围内时,降压的影响很严重。低成本连接器的典型接面电阻为0.01Ω,新的DSP及微处理器的内核需要1.2V,而且瞬时电流可达20A以上,准确度要求达到2%。在此情况下,连接器的IR损耗会导致0.2V的电压降(即16.7%),再加上很高的电流转换速率也会导致瞬态响应的问题。另一方面,由于电源集中,模块的温度亦较高,影响系统的可靠度。
利用负载电源稳压器可以解决上述问题,并具有有以下优点。
1. 稳定的电压和理想的瞬时响应
由于负载稳压器可尽量靠近负载,消除了电源输出和负载的电阻和电感,从而降低损耗。再采用多相和同步整流拓扑(图2),可在电源输入输出端消除纹波电流,降低噪声,提升负载瞬时响应和效率。
2. 降低系统温度,增加可靠性,体积减小
由于电源不再集中在一个模块上,各个负载稳压器单独散热,加上以电路板作散热功能,因此热点的温度要比电源模块低,从而提高了系统的长期可靠性,而且体积可更小。
3. 低成本、高效能、简单设计及灵活性更大
市场上的电源模块通常很贵,且对于大多数实际电源应用需求而言,标准电源模块性能常常又超过要求,而定制模块设计又需要一定时间,还会增加额外的成本。负载电源可以根据实际要求进行优化,因此成本比大功率标准电源模块更低,它还节省了大电流连接器的费用。
随着半导体技术的发展,开关电源逐渐整合在一块芯片中。如图3所示, LM2678只需外加5个器件,即成为一个5A的DC/DC变换电路。该产品系列备有电源电路设计软件Switcher Made Simple,以及在线模拟工具,因此普通的工程师利用这些工具,只需要10多分钟就可以设计出完整的开关电源线路。
目前市场有各种不同的后置辅助(Post-secondary)稳压器,系统设计工程师可以从中作出选择,以便设计具成本效益而性能满足需要的电源供应器。例如,12伏至5伏的3A稳压器可以采用多种不同的模式,其中包括同步或异步、控制器或内置式、脉冲宽度调制或脉冲频率调制、电压或电流等不同模式。电源供应器的效率及性能要求一经确定之后,你甚至可以在产品开发的后期阶段才选用最合你心意的布局设计。
供稿:
美国国家半导体公司
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