用高效开关电源优化高速通讯产品的电源设计

MAXIM北京办事处 吴 忠

高速通讯产品（如ADSL、ROUTER等）通常需要一路或多路低电压供电电源，如3.3V、2.5V，甚至1.8V，由于MCU或DSP处理速率很高，因此消耗电流也很大，比如16路ADSL局端板的3.3V电源需要高达8A的电源，而1.8V电源需要的供电电流则更大（达10A）。虽然传统的开关电源模块能够满足上述要求，但在成本、体积、热损耗等方面仍给电流设计为员带来很大的压力。因此，本文介绍几种优化电源设计的实际电路，以供参考。

1 利用开关电源模块

众所周知，开关电源模块具有使用简单、可靠性高、EMI噪声低等优点，因此深得产品设计为员的喜爱，并成为通讯电源的方案。传统的通讯产品需要的电源数目较少，且通常以+5V为主电源，开关电源不失为一种好的选择。但是随着高速、宽带通讯产品的出现，DSP或MCU所需要的供电电压越来越低，内核电压已降至3.3V、2.5V甚至1.8V。另外，为了能与外部芯片例如ELASH、SDRAM及其它外围器件接口，还需要5V、3.3V供电电压。对于这类需要多组电源供电的产品，电源设计面临着体积大、价格昂贵、低压大电流输出，特别是多路输出时效率较低等诸多挑战。如果完全采用电源模块，会使产品成本增加、系统供电压力增大，更重要的是，所占线路板面积较大，从而造成系统PCB布局困难。因此，设计时需合理的将电源模块与DC-DC转换芯片相结合，对电源进行优化设计。

2 利用线性调节器获得低压输出

有些设计为员利用线性稳压器从5V或3.3V电源中采用降压方式来获得所需要的3.3V、2.5V或1.8V电压。这在系统所需低压电源电流较小时（如几百mA），采用图1所示电路不失为一种较好的低成本解决方案，不仅如此，由于线性电源具有干扰小、输出噪声低等优点，它还能为DSP或MCU内核提供很稳定的电压。然而，如果内核需要低压电流较大时，譬如，有的16路ADSL可能需要1.8V电源提供10A的输出电流、千兆以太网交换系统可能要求3.3V电源提供8A的电流。对于前者，如果是从3.3V电源中采用线性电源降压方式获得1.8V，则该电源消耗的功率为：P1=（3.3V-1.8V）×10=17W，转换效率仅为：POUT/（P1+POUT）=18/33=54%。除此之外，该电源为了保证正常工作，需要占用很大的PCB面积以便散热，同时负载还需要与该电源保持一定距离，否则，系统性能会由于温升太高而受到影响。

3 采用升压型DC/DC开关变换器

如果系统外围器件所需要的3.3V或5V电源电流较小，比如2A以下，而DSP或MCU所需的3.3V2或.5V电源电流较大，比如5A以上，则图2所示电路具有较高的性价比，当然也可采用图3所示的降压方案，但它会消耗更多热量，因此占用更多的PCB。假定+5V/40W电源模块与+3.3V/35W模块具有相机价格和相同的转换效率（85%），并假定图2与图3中的开关电源具有相同的变换效率（90%），则升压电路输入功率为11.1W；而降压电路输入功率为18.3W，因此5V电源模块需要的总功率为37.3W的输入功率，而3.3V模块只需要27.6W就可满足供电要求。因此，采用图2方案可有效减小功耗。

4 采用降压开关电源

设计电源除了功耗、价格、体积等因素必须考虑外，电源的输出噪声，特别是输出纹波的大小也必须考虑。如果DSP或MCU内核消耗的电流保持不变（如5A），而工作电压降低到1.8V，外围电路的供电要求为+3.3V/2A。此时如果继续采用图2方案，那么，电路中的前级开关电源模块在将高输入电压（如-48V）直接变换到内核所需的+1.8V/5A电压时，其输出噪声通常会超过内核电压所允许的波动范围（±50mV～±100mV）虽然增加滤波电路会降低噪声，但占用PCB面积较大；同，由于1.8V输出的开关电源的转换效率比+3.3V输出的开关电路的效率更低，因此热损耗更大。加之，还需要由它升压提供3.3V/2A电源，进一步加剧了发热问题。如果利用图3所示的降压型电路，由DC/DC转换模块提供3.3V电源，由于图中的MAX1714的偏置电压不小于4.5V，因此需要增加一个升压芯片将3.3V变为5V，而MAX1714内部控制及偏置电路所需的5V电源仅需要不到40mA电流。因此；利用图中虚线所示的电荷泵电源MAX619即可解决问题。而MAX1714由于采用了同步开关整流技术，转换效率比普通速流变换器的提高7～8个百分点，因而其电源的转换效率可高达90%以上。

5 利用电荷泵获得负电源

在SDH传输设备中，通常需要一个-5V电源给时钟盘供电，过去不少工程师利用图4所示电路设计所需电路，但现在看来这并不是简单、廉价的解决方案。如果采用图5所示电路，则无需外部电感就会使成本、线路析面积降低许多，而且电源输出纹波列低、电磁噪声干扰更小。

6 结束语

高速、宽带通信产品由于DSP或MCU运算处理速率越来越高、工作电压越来越低、消耗电压也越来发函大，如果需要多路低压大电流供电，则传统的开并电源模块及线性电压调节器已不能满足要求，因此需要结合当今高效、低压开关集成电源技术才能更好地解决问题。虽然利用DC/DC开关电源设计所需电源与采用模块电源相比需要外部配套元件及一定的设计经验，但它却能大幅度降低电源成本、减小电源所占PCB的面积，同时提高转换效率，在具体设计中到底是采用功率集成电源还是采用电源控制器需要从系统供电的实际情况统筹考虑。