增强网络与通信系统的电源配送能力与电源散热管理芯片应用特征

发布于：2007/3/2 16:04:13 | 460 次阅读

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引言

现有的计算和游戏平台频繁处理的计算复杂度越来越高，其原因是的图形处理或其它功耗大的软件应用。现有的电源解决方案需要多达11只大容量电容器才能满足这些计算机和游戏系统中的电源需求，结果导致高成本、不稳定的解决方案需要占用很大的印制电路板(PCB)面积，这就是电源和散热管理IC问题。与此同时，需要用新型直流总线转换器来提增强网络与通信系统的电源配送能力，即提升系统电源管理性能也成为需要解决的热点问题。基于此况，本文将对上述二个问题作研讨。

1、电源散热管理技术特征与芯片的应用

1.1新的CPU电源控制器提高系统稳定性和可靠性，同时降低成本，适合计算和游戏平台

ADP3192同步降压式电源控制器采用独有的EPWM和Flex-Mode体系结构以显著减少解决上述难题所需要的电容器数量，从而使设计工程师可以减小达30％的PCB面积，并且降低达15％的主板成本。

EPWM体系结构它通过增加环路增益改善了当负载发生阶跃时的瞬态响应时间。Flex-Mode体系结构是一种多模式控制环路体系结构，它适于与通过多个电感器的变换电压成正比的应用。这两种体系结构相结合允许ADP3192采用一种非线性的控制方法满足CPU电源对快速负载变化的要求，这种控制方法能指示出电源必须提供的总电流。这样容易解决“负载阶跃”的难题，并且减少了所需大容量电容的数量，因此节省了PCB面积和成本。

ADP3192适合于将12 V主电源转换为高性能处理器内核所需要的输出电压(0.5-7.6 V之间)。在这种情况下，它直接从处理器读取一个8 bit的电压识别(VID)码。可以设置输出信号的相位关系以便提供两相、三相或四相(每相频率高达1MHz)工作，从而可以提供多达四相的多相降压式开关稳压器。ADP3192还提供准确可靠的短路保护和可调节的限流功能。又可数字可设定-0.5V-+1.6 V输出,40引脚LFCSP封装。它应用于便携式计算相机、台式计算机、服务器及游戏控制台等设备之中。

1.2用单芯片信号和电源隔离解决次级控制启动难题

隔离的次级控制电源的设计人员必须解决给次级控制器提供启动电源的难题。这通常涉及到包含一个辅助电源，从增加PCB面积、设计时间和成本。ADuM5242双隔离器通过为启动次级控制器提供5V／10 mA稳压隔离输出解决了这个问题。该集成的DC／DC变换器，以及用于PWM信号的两个隔离通道都集成在一个小型8引脚SOIC封装内。图1为单芯片信号和电源隔离的ADuM5242器件应用示意图。ADuM5242器件主要特征：10mA稳压输出；两个信号隔离通道；数据速率为10Mbps；传播延迟55ns；3 ns通道匹配误差；额定隔离电压为2.5kV有效值；8引脚S01C，5mm×6mm。

1.3提供两倍的功率密度

ADMl041A是一种带有SMBus接口的高集成度且可编程的次极端控制器，这是电源电路设计中的重大进步。

ADMl401A独特的体系结构允许高达的功率密度，它是现有的同类解决方案的两倍。这是通过将现有的多个独立IC集成到一颗单芯片而实现的，同时通过片内的可编程功能显著改善了总体功能。如此高的集成度比现有的电源设计节省了70％的总PCB面积．图2为ADMl401A内部结构示意框图。其主要特征为：通过内置EEPROM进行数字校准；支持系统服务器基础设施(SSl)技术规范；全面的故障检测；减少了次级端的元件数量；独立的或者微控制器；对初级端PWM产生误差信号；输出电压调节和裕量控制；电流分配；限流调整；OrFET控制；可瑞编程软启动转换。它可应用于AC／DC电源、网络服务器、Web服务器、电源控制等设备之中。

1.4保护线路卡免遭电源瞬变和过热损坏-带有集成数字电源监视的热插拔器件的应用

随着机架式通信系统中处理功率密度不断攀升，不可预测和潜在的破坏性电源瞬态尖峰和(或)过热损坏的风险也非常高。

ADM1175-8系列产品能将一个热插拔控制器与一个内置的基于12 bit ADC的数字电源监视功能结合在一起。这些器件全部都有热插拔控制器，允许板卡安全地从2.7V-14V工作的背板插入或者拔出。这些器件提供精密鲁棒性的电流限制，防止瞬态和非瞬态短路，以及过流和欠流的损坏。除了标准的热插拔功能，其内部的电源监视器允许设计人员在指定的机架式系统中精密监视每个具体线路卡的电源分配。与电源监视器的通信由一个内部的 I端口提供。这些器件都采用10引脚的MSOP超小封装。图3为ADM1175应用示意图。其主要特征：精密线性过流限制；内置12 bit电源监视器；控制；CONV转换引脚允许对电源电压并行采样；可提供封锁关断和多个重复变量；高达10 kSPS采样速率支持精细的电源监测。它可应用于先进电信计算体系结构(ATCA)卡、刀片式(blade)服务器；刀片式PC。

1.5 用数字隔离器解决总线接口的双向隔离

电源中包含的接口，例如SMBus和PMBus接口，都存在隔离双向信号的共同问题。迄今为止，这需要用某种方式将两个独立的采用光耦合器隔离的单向线路组合起来以便支持双向信号的传输。对子一个2线的双向接口，这种方法就需要四只光耦合器。ADuMl250双隔离器采用一种容易使用的8引脚SOIC器件，通过两个支持双向信号和热插拔兼容的通道解决了这个问题。该产品是适合隔离电源总线接口的理想解决方案。其主要特征：双向传输；驱动高达400 pF的负载；热插拔；额定隔离电压2.5kV有效值；封装：8引脚5mm X 6mmSOIC封装。图4为ADuMl250应用示意图。它可应用路由器、基站、电信设备。

1.6灵活和高效的LCD LED背光控制器和通用升压式控制器

ADPl621是一种可以配置为LED驱动器内核的灵活的升压控制器，它可以用外部器件优化以便适合几乎所有类型的PWM电流驱动LCD背光的应用。例如，ADPl621在汽车导航显示器中可以驱动10只LED或者在15只，笔记本计算机显示器中驱动60只LED(一串或多串)，同时达到了90％以上的额定效率。可以通过直接对器件施加一个PWM信号来调整LED的平均亮度。ADPl621采用了一种固定频率、脉冲宽度调制和电流模式的升压变换器控制器方法，所以可以驱动外部N沟道MOSFET。ADPl621除了可以配置为电流源LED驱动器，它还可以配置为升压变换器、降压变换器、逆向变换器、SEPIC变换器或者正向变换器，可以采用隔离或非隔离的电路结构。其主要特征为；效率高达92％(无需检测电阻器)；初始：±1.0％；输入电压范围：2.9V-5.5V；可与外部时钟同步；待机电流：10μA；限流和热效过载保护。图5为ADPl621应用示意图。

它可应用于笔记本计算机LCD背光、SEPIG降压升压变换器单个高亮度、发光二极管(HBLED)驱动器、降压升压DC／DC变换器、隔离的和非隔离的DC／DC变换器、电信-48v--+48v输出反相器及APD偏置之中。

2、增强网络与通信系统的电源配送能力—直流总线转换器拓扑结构技术的应用

当今两级分布式电源架构(DPA)是一种用于网络和通信系统的典型板上电源管理方案。而要提升该系统电源管理性能是指应用优化芯片组，使效率高于96％的情况下提供150w的输出功率的新型直流总线转换器拓扑结构。而拓扑结构的关键是针对两级分布式电源架构中的级电路，将电压从48V转换为8V(标称值)的新技术方案。

2.1采用一个隔离型DC总线转换器把48V电压转换为一个中间电压，然后将功率分配到非隔离型POL转换器。

典型DPA采用一个前端AC-DC电源，它所产生的48V(标称值)电压会馈送至系统主板作为输入电压。

该电压随后被分配至紧靠着ASIC和网络处理机负载的多个负载点(POL)转换器。若这些系统采用的板上工作电压越来越多，则需要在整个电路板上配置多个POL转换器。这些电压的典型值约在1V至3.3V的范围内，每个输出所需的电流从几安培到40安培不等。将48V电压转换成可用的负载电压有多种方法，它们各有其优缺点。方法是采用一个隔离型DC总线转换器把48V电压转换为一个中间电压，然后将功率分配到非隔离型POL转换器。

图6示出了一个采用DC总线转换器的通用型DPA系统，该DC总线转换器提供一个中间电压作为POL的供电电源。要选择中间DC总线电压，必须以电源管理系统的效率、空间要求和成本因素为根据，再作出适当的设计决定。方法之一是将48V电压转换为一个3.3V输出，直接对主要的板上负载供电，然后经由POL转换器产生其他的负载点电压(通常在1V至2.5V之间)。另一个方案是将48V总线转换至12V，但不直接对任何负载供电，而只用于两级架构，由它推动POL转换器。然而，上述的3.3V和12V DPA方案并非的解决方案。

因此在一个两级架构中，同时将两级电路进行效率优化是至关重要的。为了限度地降低功率损耗并使效率化，一个非隔离型POL的输入电压应以8V(标称值)为中心。为了限度地压缩占用空间和降低成本，该48V至8VDC总线转换器技术不需要一个经紧密调节的中间总线电压，因为POL转换器为负载提供了理想的稳压。

2.2应用IR2085S控制器实现DC总线转换器解决方案，见图7所示

IR2085S控制器IC应用特征

它采用一个50％的占空比以及自振式控制器ICIR2085S，负责驱动由两个MOSFET所组成的原边半桥电路。该DC总线转换器的副边由一个自驱动同步整流电路组成。这实现了功率转换效率和功率密度的化，且限度地减少了输入和输出滤波处理，并减少元件总数和降低复杂程度。

这种新型DC总线转换器芯片组解决方案采用了一个IR2085S控制器IC，该IC将50％占空比的振荡器与一个100V／lA半桥驱动器IC集成在一个SO-8封装内。为了限制起动过程中的涌入电流，IR2085S所具备的内部软启动功能使占空比能够从0逐渐增加至50％(在大约5ms的时间里)。

图7示出了用于驱动半桥、低电荷量MOSFET的IR2085S的功能框图。IR2085S由一个简单的10V至15V偏压电路供电。高侧和低侧MOSFET栅极驱动信号相互匹配在±25ns的时间内，以防止发生变压器不平衡。为了适合不同应用、功率电平和开关器件的需要，设计采用了一个外部电容器CT和电阻器RT，以独立调整高侧和低侧脉冲之间的频率和死区时间。为防止发生击穿现象，死区时间必须比原边MOSFET的关断时间更长。

220kHz的原边开关频率能够提供的性能。更高的开关频率会减小输出电压波纹并允许使用体积更小的磁性元件，从而降低磁损耗。

新型DC总线转换器解决方案特征(见图8所示)

它采用一个50％的占空比以及自振式控制器ICIR2085S，负责驱动由两个MOSFET所组成的原边半桥电路IRF7493。该DC总线转换器的副边由一个自驱动同步整流电路IRF6603(DirectFET MOSFET)组成。这实现了功率转换效率和功率密度的化，且限度地减少了输入和输出滤波处理，并减少元件总数和降低复杂程度。该新型DC总线转换器在8V输出条件下提供150V输出功率,效率高达96%以上。

图8中偏压电源10V至15V由IRF7380产生.IRF7493为SO-8封装的80V MOSFET。

3、结束语

新型直流总线转换器可用于增强新一代网络与通信系统的电源配送能力。

将DC总线转换器的优点可在其他系统架构中得到应用.因为并不是所有的系统架构都基于48V输入。有些需要36V至75V的通用输入工作电压。这种新型DC总线转换器芯片组能够在ETSI电压范围内提供优良的性能，这是因为即使是在60V的输入电压条件下，额定电压为80V的IRF7493MOSFET仍能为DC总线转换器的额定电压提供足够的保护空间。在这种情况下，输出电压范围将在6V至10V之间。

现有的芯片组可提供150W的板上电源。由于芯片组自然地均分电流，因此，可以通过并联芯片组使总功率以150W的增量同步放大。有些系统的功率要求更高-高达300W(甚至更高)的情况并不鲜见。将芯片组并联是实现高性能的一种容易方法，但如要把转换器的尺寸维持在1／8砖或更小，且仍能提供高达300W的输出功率，就需要更精巧的解决方案。对这些系统而言，可能需要新型IC和多个MOSFET来实现该性能水平。

电源和散热管理IC精彩纷呈,而其选择与应用必须根据使用的设备来决定。

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