高速通信產(chǎn)品電源適配器設(shè)計(jì)

   高速通信產(chǎn)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(dá)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(dá)10A)?雖然傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)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(chǎn)廠家帶來(lái)很大的壓力?因此,本節(jié)介紹幾種優(yōu)化電源適配器設(shè)計(jì)的實(shí)際電路

  1.利用開(kāi)關(guān)電源適配器模塊

  傳統(tǒng)的通信產(chǎn)品需要的電源適配器數(shù)目較少,且通常以+5V為主電源適配器,開(kāi)關(guān)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(chǎn)品的出現(xiàn),DSP或MCU所需要的供電電壓越來(lái)越低,內(nèi)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(duì)于這類需要多組電源適配器供電的產(chǎn)品,電源適配器設(shè)計(jì)面臨著體積大?價(jià)格昂貴?低壓大電流輸出,特別是多路輸出時(shí)效率較低等諸多挑戰(zhàn)?如果完全采用電源適配器模塊,則會(huì)使產(chǎn)品成本增加?系統(tǒng)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(tǒng)PCB布局困難?因此,設(shè)計(jì)時(shí)需合理地將電源適配器模塊與DC/DC轉(zhuǎn)換芯片相結(jié)合,對(duì)電源適配器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

  2.利用線性調(diào)節(jié)器獲得低壓輸出

  利用線性穩(wěn)壓器從5V或3.3V電源適配器中采用降壓方式來(lái)獲得所需要的3.3V?2.5V或  1.8V電壓?在系統(tǒng)所需低壓電源適配器電流較小時(shí)(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(yōu)點(diǎn),它還能為  DSP或MCU內(nèi)核提供很穩(wěn)定的電壓?然而,如果內(nèi)核需要低壓電流較大時(shí),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(wǎng)交換系統(tǒng)可能要求3.3V電源適配器  提供8A的電流?對(duì)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(zhuǎn)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(shí)負(fù)載還需要與該電源適配器保持一定距離,否則系統(tǒng)性能會(huì)由于溫升太高而受到影響?

 3.采用升壓型DCDC開(kāi)關(guān)變換器

  如果系統(tǒng)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(jià)比?  當(dāng)然也可采用圖8-42所示的降壓方案,但它會(huì)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(jià)格和相同的轉(zhuǎn)換效率(85%),并假定圖8-41與圖8-42中的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源適配器

設(shè)計(jì)電源適配器時(shí)除了功耗?價(jià)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(nèi)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(shí)如果繼續(xù)采用圖8-41所示方案,那么電路中的前級(jí)開(kāi)關(guān)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(nèi)核所需的+1.8V(5A)電壓時(shí),其輸出噪聲通常會(huì)超過(guò)內(nèi)核電壓所允許的波動(dòng)范圍(士50~±100mV)?雖然增加濾波電路會(huì)降低噪聲,但占用PCB的面積較大;同時(shí),由于1.8V輸出的開(kāi)關(guān)電源適配器的轉(zhuǎn)換效率比+3.3V輸出的開(kāi)關(guān)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(jìn)一步加劇了發(fā)熱問(wèn)題?如果利用圖8-42所示的降壓型電路,由DC/DC轉(zhuǎn)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(gè)升壓芯片將3.3V電壓變?yōu)?V,而MAX1714內(nèi)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(wèn)題?而MAX1714由于采用了同步開(kāi)關(guān)整流技術(shù),轉(zhuǎn)換效率比普通速流變換器提高七八個(gè)百分點(diǎn),因而其電源適配器的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%以上?

圖8-42低壓大電流供電電路

5.利用電荷泵獲得負(fù)電源適配器

  在SD)H傳輸設(shè)備中,通常需要一個(gè)一5V電源適配器給時(shí)鐘盤(pán)供電,過(guò)去通常利用圖8-43所示電路,這并不是最簡(jiǎn)單?最廉價(jià)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(huì)外部電感就會(huì)NP↑NMAXT6IONMAXI673OUI圖843負(fù)電壓輸出轉(zhuǎn)換器圖8-44帶負(fù)電荷泵的負(fù)壓變換器 高速?寬帶通信產(chǎn)品由于DSP或MCU運(yùn)算處理速率越來(lái)越高,工作電壓越來(lái)越低,消耗功率也越來(lái)越大,如果需要多路低壓大電流供電,則傳統(tǒng)的開(kāi)并電源適配器模塊及線性電壓調(diào)節(jié)器已不能滿足要求,因此需要結(jié)合當(dāng)今高效?低壓開(kāi)關(guān)集成電源適配器技術(shù)才能更好地解決問(wèn)題?雖然利用DC/D)(C開(kāi)關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)經(jīng) 驗(yàn),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(shí)提高轉(zhuǎn)換效率,在具體設(shè)計(jì)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(jù)系統(tǒng)供電的實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮?