针对电信和网络应用的安森美半导体DC-DC电源参考设计示例
2009-03-13 15:13:18
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
点击：1377
近年来，随着电信技术的发展及数据业务的迅速扩大，数据通信设备和电信网络设备不断走向融合，这就需要可靠的电源系统来为这些应用供电。传统的电源架构是集中式电源架构，即单个电源从交流输入线路向所有需要的输出提供功率转换，这种架构的成本最低，但可靠性和灵活性差。而数据通信中的数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、中央处理器（CPU）等器件需要低电压供电从而获得更大电流，这就要求电源供应尽可能地接近负载，所以如今大多数应用中采用的是分布式电源架构。相应的，分布式电源系统（DPS）对系统中不同设备、不同电路板、甚至是同一电路板上的不同电路采用不同的电源供电，从而提供更高的可靠性、灵活性及散热性能。
对于分布式电源系统而言，常见的是 -48V 分布式电源系统。通常情况下，交流-直流（AC-DC）转换器将交流输入电源转换为 -48V 直流电源，同时给备用电池(蓄电池)供电。通过将 -48V 电源的正极接地（即正极电平为 0V），就可以提供 +48V 的输入电压，再通过直流-直流（DC-DC）隔离电源转换和非隔离电源转换为相应负载提供所需的电压电平。所谓隔离电源转换，即输入和输出之间采用高频变压器进行电气隔离；而非隔离电源转换的主电路中则没有高频变压器。
作为全球领先的高性能、高能效电源解决方案供应商，安森美半导体针对电信和网络系统中的分布式电源应用提供一系列的 DC-DC 解决方案（如图 1 所示）。本文将针对隔离和非隔离电源转换应用共选择 3 种应用作为示例，分析它们适合采用的电源拓扑结构及关键元件，特别是安森美半导体提供的 DC-DC 解决方案如何能够满足这些要求，为客户提供高能效的参考设计，帮助他们加快产品上市进程。
1) 隔离电源转换：基于 CS51021 的隔离型 5A 输出网络电源参考设计
为目标应用选择合适的电源拓扑结构和关键元件非常重要。一般而言，有几项关键考虑因素，如输入电压范围（及精度）、输出电压和电流、能效目标、隔离要求和保护性能等。相应的，这网络电源参考设计相应的目标规范为：输入电压 +48V（精度±20%），输出为 5V@5A，提供限流、欠压和过压保护，目标能效高于 85%，有隔离要求，且必须使用陶瓷电容。
从上述目标规范来看，我们可以看出其输出功率要求相对较低，仅为 25W。而在 15W 到 100W 功率的通信应用中，通常使用低成本的单端正激或反激转换器。具体在本参考设计中，我们选择正激转换器，因为这种拓扑结构提供较高能效，可以采用小尺寸输出滤波器，提供低纹波输出，适合高密度板设计，且输出和输出之间隔离。相应地，可以采用安森美半导体的 CS51021。
CS51021 是安森美半导体推出的一款固定频率电流模式脉宽调制（PWM）控制器，提供构建交流-直流（AC-DC）和 DC-DC 初级端控制电路所需的全部特性。这器件能够配置为正激或反激拓扑结构，提供高达 1MHz 的开关频率，可用于优化转换器尺寸及其能效；具有 1A 的漏/源极门驱动能力，适合高能效操作；具有可编程斜坡补偿功能，提高了稳定性。其它特性包括可编程逐脉冲过流保护、带有前沿消隐的电流模式控制、具有可编程迟滞的过压保护、双向同步等。
图 2 显示的是基于安森美半导体 CS51021 控制器构建的网络交换机电源的主要规范及演示电路板图片。考虑到相关设备也可能会采用备用电池进行工作，这参考设计提供的输入电压范围比 48V±20% 更宽，达到 36V 至72V。在能效方面，测试数据显示，5.0A 输出电流时的能效也高于 85%，符合设计目标要求。
2) 隔离电源转换：基于 NCP1031 的 2W 偏置电源参考设计
针对基站和网络中的偏置电源应用，我们假定其目标规范为：输入电压 +48V、输出电压 12V、输出功率 2W，目标能效高于 80%，有隔离要求。这些目标规范要求应用具有小尺寸和高功率密度，支持元件数量尽可能地少，并且具有宽输入范围，覆盖 +48V 电信应用。
针对这方面的应用要求，我们可以采用安森美半导体的 PWM 控制器及电源开关 NCP1030。实际上，NCP1030 及 NCP1031 是安森美半导体推出的一系列小型高压单片开关稳压器，具有片上开关及启动电路，能够配置为正激或反激等单端拓扑结构；其中，NCP1030 适合于需要高至 3W 功率的应用，而 NCP1031 适合于需要高至 6W 功率的应用，本参考设计中我们选择的是 NCP1030。
NCP1030 具有内部启动稳压器，直接采用输入电压进行供电，还集成门驱动和 200V 电源开关，降低了电磁干扰（EMI）。其中的电源开关电路采用 SENSEFET 技术来监控漏电流（NCP1030 的漏电流限制阈值为 0.5A），用于提升能效。总的来说，NCP1030 是一种集成方案，集成开关管、PWM 控制器及监控电路。采用 NCP1030 实现的电信偏置电源占位面积仅为 0.032 平方英寸，相比较而言，采用 TL384x 和 MAX6457A 等竞争器件实现的偏置电源占位面积达 0.344 平方英寸，如图 3 所示。
测试数据显示，基于 NCP1030 的偏置电源实现高于 80% 的能效，线路稳压精度和负载稳压精度分别达到 0.5% 和 8%，适合 48V 输入电压，提供 12V 输出电压入 2W 输出功率，并采用反激拓扑结构，符合目标规范要求。
3) 非隔离电源转换：基于 NCP3121 的电信负载点电源参考设计
分布式电源系统一种常见的电源分配方法是先将 48V 电压先转换为 12V 电压，再通过负载点（POL）转换器将 12V 电压转换为负载所需的电压，常见的有 5.0V 和 3.3V 等。相应地，我们假定这 POL 电源参考设计的规范为：输入电压 +12V（精度 ±10%），两路输出分别为 5.0V@3A和 3.3V@3A，能效高于 80%，无隔离要求，小尺寸及高功率密度等。
电信应用中的负载点（POL）转换器会涉及到为DSP、ASIC、FPGA 或 CPU 等敏感电路供电，需要提供不同负载所需的不同电压，并且具有上电和掉电排序能力，还需要具有小尺寸和高功率密度，能够提供大批量、低成本的解决方案。相应地，我们可以采用安森美半导体的 NCP3121 集成双路 3A 降压稳压器。这器件设计用于需要高能效的低压应用，能够产生低至 0.8V 的输出电压。这器件具有 200kHz 至 750kHz 的可调节开关频率（由外部电阻设定），具有宽温度范围的精密内部参考，采用改善热性能的 QFN 封装。NCP3121 能够作为独立开关转换器操作，同时内置自动追踪和排序特性，保护上电和掉电的排序，防止错误数据加载至输入/输出（I/O）缓冲器，保护 ASIC 等免受损伤，如图 4 所示。NCP3121 内置的自动追踪和排序能力，消除了使用外部电源排序芯片来管理这项功能并保证性能的需要。
基于 NCP3121 的双路输出 3A/3A 电信负载点电源参考设计采用降压拓扑结构，支持 10.8V 至 13.2V 的输入电压，提供 5.0V@3A 和 3.3V@3A 两路输出，符合于 xDSL 等电信负载点电源应用要求。
除了上述解决方案及参考设计，安森美半导体还提供其它分布式电源解决方案及参考设计，如基于 NCP1034 解决方案的网络电源参考设计、基于 NCP3102 解决方案的基站电源参考设计等。更多安森美半导体 DC-DC 电信和网络电源解决方案请参见相关培训教程（www.onsemi.com/pub_link /Collateral/TND347-D.PDF）。
安森美半导体针对电信和网络应用提供完整解决方案
安森美半导体是全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商，公司广泛的产品系列包括电源、模拟、数字信号处理器（DSP）、混合信号、先进逻辑、时钟管理、非易失性存储器和标准元器件。在电信和网络应用方面，安森美半导体提供完整解决方案，除了上述 DC-DC 电源解决方案及高能效的参考设计，还包括时钟分配、时钟产生、射极耦合逻辑（ECL）逻辑、运算放大器、比较器、信号和接口、浪涌保护和静电放电（ESD）保护等，辅以高效的供应商和高质量的制造，更加全面地满足客户需求，帮助他们在市场竞争中占据先机。
对于分布式电源系统而言，常见的是 -48V 分布式电源系统。通常情况下，交流-直流（AC-DC）转换器将交流输入电源转换为 -48V 直流电源，同时给备用电池(蓄电池)供电。通过将 -48V 电源的正极接地（即正极电平为 0V），就可以提供 +48V 的输入电压，再通过直流-直流（DC-DC）隔离电源转换和非隔离电源转换为相应负载提供所需的电压电平。所谓隔离电源转换，即输入和输出之间采用高频变压器进行电气隔离；而非隔离电源转换的主电路中则没有高频变压器。
作为全球领先的高性能、高能效电源解决方案供应商，安森美半导体针对电信和网络系统中的分布式电源应用提供一系列的 DC-DC 解决方案（如图 1 所示）。本文将针对隔离和非隔离电源转换应用共选择 3 种应用作为示例，分析它们适合采用的电源拓扑结构及关键元件，特别是安森美半导体提供的 DC-DC 解决方案如何能够满足这些要求，为客户提供高能效的参考设计，帮助他们加快产品上市进程。
1) 隔离电源转换：基于 CS51021 的隔离型 5A 输出网络电源参考设计
为目标应用选择合适的电源拓扑结构和关键元件非常重要。一般而言，有几项关键考虑因素，如输入电压范围（及精度）、输出电压和电流、能效目标、隔离要求和保护性能等。相应的，这网络电源参考设计相应的目标规范为：输入电压 +48V（精度±20%），输出为 5V@5A，提供限流、欠压和过压保护，目标能效高于 85%，有隔离要求，且必须使用陶瓷电容。
从上述目标规范来看，我们可以看出其输出功率要求相对较低，仅为 25W。而在 15W 到 100W 功率的通信应用中，通常使用低成本的单端正激或反激转换器。具体在本参考设计中，我们选择正激转换器，因为这种拓扑结构提供较高能效，可以采用小尺寸输出滤波器，提供低纹波输出，适合高密度板设计，且输出和输出之间隔离。相应地，可以采用安森美半导体的 CS51021。
CS51021 是安森美半导体推出的一款固定频率电流模式脉宽调制（PWM）控制器，提供构建交流-直流（AC-DC）和 DC-DC 初级端控制电路所需的全部特性。这器件能够配置为正激或反激拓扑结构，提供高达 1MHz 的开关频率，可用于优化转换器尺寸及其能效；具有 1A 的漏/源极门驱动能力，适合高能效操作；具有可编程斜坡补偿功能，提高了稳定性。其它特性包括可编程逐脉冲过流保护、带有前沿消隐的电流模式控制、具有可编程迟滞的过压保护、双向同步等。
图 2 显示的是基于安森美半导体 CS51021 控制器构建的网络交换机电源的主要规范及演示电路板图片。考虑到相关设备也可能会采用备用电池进行工作，这参考设计提供的输入电压范围比 48V±20% 更宽，达到 36V 至72V。在能效方面，测试数据显示，5.0A 输出电流时的能效也高于 85%，符合设计目标要求。
2) 隔离电源转换：基于 NCP1031 的 2W 偏置电源参考设计
针对基站和网络中的偏置电源应用，我们假定其目标规范为：输入电压 +48V、输出电压 12V、输出功率 2W，目标能效高于 80%，有隔离要求。这些目标规范要求应用具有小尺寸和高功率密度，支持元件数量尽可能地少，并且具有宽输入范围，覆盖 +48V 电信应用。
针对这方面的应用要求，我们可以采用安森美半导体的 PWM 控制器及电源开关 NCP1030。实际上，NCP1030 及 NCP1031 是安森美半导体推出的一系列小型高压单片开关稳压器，具有片上开关及启动电路，能够配置为正激或反激等单端拓扑结构；其中，NCP1030 适合于需要高至 3W 功率的应用，而 NCP1031 适合于需要高至 6W 功率的应用，本参考设计中我们选择的是 NCP1030。
NCP1030 具有内部启动稳压器，直接采用输入电压进行供电，还集成门驱动和 200V 电源开关，降低了电磁干扰（EMI）。其中的电源开关电路采用 SENSEFET 技术来监控漏电流（NCP1030 的漏电流限制阈值为 0.5A），用于提升能效。总的来说，NCP1030 是一种集成方案，集成开关管、PWM 控制器及监控电路。采用 NCP1030 实现的电信偏置电源占位面积仅为 0.032 平方英寸，相比较而言，采用 TL384x 和 MAX6457A 等竞争器件实现的偏置电源占位面积达 0.344 平方英寸，如图 3 所示。
测试数据显示，基于 NCP1030 的偏置电源实现高于 80% 的能效，线路稳压精度和负载稳压精度分别达到 0.5% 和 8%，适合 48V 输入电压，提供 12V 输出电压入 2W 输出功率，并采用反激拓扑结构，符合目标规范要求。
3) 非隔离电源转换：基于 NCP3121 的电信负载点电源参考设计
分布式电源系统一种常见的电源分配方法是先将 48V 电压先转换为 12V 电压，再通过负载点（POL）转换器将 12V 电压转换为负载所需的电压，常见的有 5.0V 和 3.3V 等。相应地，我们假定这 POL 电源参考设计的规范为：输入电压 +12V（精度 ±10%），两路输出分别为 5.0V@3A和 3.3V@3A，能效高于 80%，无隔离要求，小尺寸及高功率密度等。
电信应用中的负载点（POL）转换器会涉及到为DSP、ASIC、FPGA 或 CPU 等敏感电路供电，需要提供不同负载所需的不同电压，并且具有上电和掉电排序能力，还需要具有小尺寸和高功率密度，能够提供大批量、低成本的解决方案。相应地，我们可以采用安森美半导体的 NCP3121 集成双路 3A 降压稳压器。这器件设计用于需要高能效的低压应用，能够产生低至 0.8V 的输出电压。这器件具有 200kHz 至 750kHz 的可调节开关频率（由外部电阻设定），具有宽温度范围的精密内部参考，采用改善热性能的 QFN 封装。NCP3121 能够作为独立开关转换器操作，同时内置自动追踪和排序特性，保护上电和掉电的排序，防止错误数据加载至输入/输出（I/O）缓冲器，保护 ASIC 等免受损伤，如图 4 所示。NCP3121 内置的自动追踪和排序能力，消除了使用外部电源排序芯片来管理这项功能并保证性能的需要。
基于 NCP3121 的双路输出 3A/3A 电信负载点电源参考设计采用降压拓扑结构，支持 10.8V 至 13.2V 的输入电压，提供 5.0V@3A 和 3.3V@3A 两路输出，符合于 xDSL 等电信负载点电源应用要求。
除了上述解决方案及参考设计，安森美半导体还提供其它分布式电源解决方案及参考设计，如基于 NCP1034 解决方案的网络电源参考设计、基于 NCP3102 解决方案的基站电源参考设计等。更多安森美半导体 DC-DC 电信和网络电源解决方案请参见相关培训教程（www.onsemi.com/pub_
安森美半导体针对电信和网络应用提供完整解决方案
安森美半导体是全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商，公司广泛的产品系列包括电源、模拟、数字信号处理器（DSP）、混合信号、先进逻辑、时钟管理、非易失性存储器和标准元器件。在电信和网络应用方面，安森美半导体提供完整解决方案，除了上述 DC-DC 电源解决方案及高能效的参考设计，还包括时钟分配、时钟产生、射极耦合逻辑（ECL）逻辑、运算放大器、比较器、信号和接口、浪涌保护和静电放电（ESD）保护等，辅以高效的供应商和高质量的制造，更加全面地满足客户需求，帮助他们在市场竞争中占据先机。
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