如何為通訊架構設備挑選合適的電源供應設計？

由於不同系統對電源供應器有不同的要求，加上通訊市場產品不斷更新，而且變化相當大，令通訊設備製造商不得不進一步節省生產成本，也不得不採用更具能源效益和更加可靠的電源供應解決方案，以保持他們在市場上的競爭優勢。  

目前的市場環境充滿挑戰，全新的電壓分配匯流排標準也因此應運而生，例如由NS(National Semiconductor)所推出的+12伏(V)中間匯流排架構(IBA)便是一例。我們只要採用低成本的無穩壓(開放環路)「磚」型轉換器 (brick)，將-48伏匯流排轉為標準+12伏中間匯流排，便可使用新一代的低成本負載點(POL)模組。這些採用單列直插式封裝(SIP)及表面貼著元件(SMD)封裝的小型負載點模組可為系統的不同負載提供低壓供電。  

然而，這些新一代的負載點模組還要面對不斷湧現的競爭對手，例如分隔混合式電源供應系統，其中包括採用級聯電流饋送或推拉式電壓饋送轉換器的系統。有些半導體供應商更特別為設計電源供應器的工程師提供設計支援，使他們可以將低成本的小型分隔式電源供應器直接嵌入主機板或線卡內。  

究竟應選用現成的負載點模組與中間匯流排轉 換器模組，還是採用半導體廠商的嵌入式電源供應參考設計以降低成本及提高效率？關於這個問題，設計電源供應器的工程師必須從中作出取捨。資訊設備製造商開發新一代的低成本設備時，都比以往更加認真地研究成本與設計的複雜關係和不同風險的取捨。如果採用電源開關及內建的磁變壓器會令個人電腦電路板的設計過於複雜，即使嵌入式電源供應解決方案很明顯可以大幅節省成本及能源，始終會有部份廠商為免麻煩而拒絕採用這類嵌入式的電源供應解決方案。  

對於設計較為簡單而又只須提供一個供電電壓的電源供應系統來說，加設變壓器所涉及的額外成本實在微不足道，而且也不會令設計更為複雜。但需要輸出多個不同電壓的電源供應系統在設計上便顯得較為複雜，特別是需要採用設有多個次級線圈與令設計更為複雜的變壓器。需要提供多個電壓輸出的設計也可採用較為複雜的穩壓電路，利用其可以感測多個電壓輸出的功能控制回授環路。  

網路電話(VoIP)、數位用戶線路(DSL)以及第三代行動電話基地台的電源供應設計都必然有不同程度的複雜性。有多個因素會影響這三種電源供應設計的表現，我們將會在下文一一討論。  

網路電話轉換器要滿足高效能、易使用、體積小特性  

網路電話(VoIP)的直流/直流轉換器採用不太複雜的高功率單輸出變壓器設計(典型功率介於250W與500W之間)，以便為主-48伏電壓分配匯流排提供緩衝。配電式匯流排的電壓若要保持平穩，便需採用笨重的電容器，以便將36至72伏的傳統作業電壓範圍縮窄至43至57伏之間，而採用單電壓輸出變壓器的設計可將笨重電容器的成本及電容減至最少。所有下向變頻器或配電式匯流排上的其他負載也具有故障保護及安全隔離等功能。我們若採用可支援多個平行輸出及負載電流共用等功能的直流/直流轉換器，便可以提供故障承受(N+1)及散熱功能，有助降低系統作業時的溫度，使系統更耐用，性能更可靠。  

一般來說，網路電話轉換器需要的電源供應電路佈局設計必須具備效能卓越(高轉換效率、極低線路電流)、容易使用、具成本效益以及外形小巧纖薄等優點。目前市場上有多種不同的佈局設計可供選擇，每一種都在某一程度上可以滿足這些要求。例如，馳回轉換器便以其佈局簡單而甚受歡迎。馳回轉換器與降壓轉換器(如正向轉換器)不同，馳回轉換器無需採用變壓器磁通重設機制或輸出電感器。馳回轉換器雖然擁有這些優點，但用於某些應用方案時 (尤其是高輸出電壓系統如網路電話應用方案)，便需要加設昂貴的電容器，才可在輸入及輸出端過濾較大的漣波電流，這是馳回轉換器的缺點。但我們只要在反相位內交錯使用兩個轉換器，便可減低漣波電流，將馳回及正向轉換器的漣波電流問題緩解。若所有因素保持不變，交錯系統的輸入及輸出漣波電流遠比哪些採用一個轉換器的系統為少。  

對於網路電話系統來說，推拉式轉換器(圖1)是一個成效遠比馳回轉換器理想的解決方案。推拉式轉換器基本上由2個交錯的正向轉換器組成，但其中只有一個可自行重設的變壓器以及一個輸出電感器。以此來說，推拉式轉換器只比一個獨立的正向轉換器稍微複雜一點，其漣波電流因為交錯效應的關係而得以大幅減少，也因為這個緣故，推拉式轉換器可以使用較小型的輸入電感器。由於輸出電感器會將輸出漣波電流減弱，因此推拉式轉換器可以使用額定漣波電流較低的低成本電容器。一般的馳回轉換器只適用於不超過150W左右的功率轉換，但推拉式轉換器可以在高達千瓦的功率水平正常作業，而且成效令人滿意。  

此外，需要發揮更高轉換效率的網路電話系統可以採用較為複雜的佈局，以確保輸入電壓處於兩個極端時，系統仍可發揮極高的效率。設有電流饋送推拉式轉換器的級聯降壓佈局設計便是一個好例子。這個混合佈局最適合高功率的系統採用。此外，這個佈局也適用於高效率及高效能的系統，由於採用這個佈局會令效率及效能有所提升，因此即使成本較高也是值得的。  

DSL需要合適的佈局設計與控制電路  

數位用戶線路(DSL)的應用方案可以採用以-48伏供電提供多個電壓輸出的轉換器。這個轉換器內含一個設計更複雜、功率更低的多輸出變壓器(50- 100W)。這種DSL電源供應系統可以為高壓類比線路驅動器及放大器提供供電(典型電壓為+/-12伏)，也可為特殊應用積體電路提供多個低壓供電(+ 5伏、+3.3伏、+1.8伏及+1.5伏)。設有多輸出DSL轉換器的電源供應系統必須採用高效能的佈局設計，例如可以支援高轉換效率以及具備卓越的負載與線路穩壓能力，而且必須設計簡單、成本低廉以及外型輕薄短小。  

我們只要選用合適的佈局設計及控制電路，便可確保DSL電源供應系統的效能達到我們的要求。DSL電源供應系統所採用的佈局若能獲得具備嶄新功能的新一代控制器晶片的支援，將有助減少所須元件的數目，以及節省電路板的板面空間，使系統設計可以進一步精簡。小型電源供應器的設計一般都會採用印刷電路板(平面)變壓器、輸出電感器及表面貼著輸入與輸出電容器。  

多輸出電源供應器一般都需要裝設一個多輸出馳回轉換器。雖然這樣的佈局最簡單，但除了受控制的輸出之外，所有輸出都無法獲得較好的負載穩壓。馳回轉換器的效率也不太理想，因為低電壓輸出的功率消耗最大，但將低電壓輸出加以同步整流則需要另外加設一些特殊應用積體電路，而市場上很少有這類特殊應用積體電路，因此馳回轉換器的效率不易提升。  

圖2顯示的電源供應器架構適用於DSL應用方案是一個效能比較理想的架構。其中採用的推拉式轉換器負責將48伏電壓轉為+/-12伏電壓，以及將電源隔離。同步降壓轉換器利用+12伏供電幹線提供的供電產生多個低電壓輸出。這個推拉式中間匯流排設計可以充分利用具成本效益的電源管理晶片如LM5030推拉式控制器及LM5642雙通道電流模式同步降壓控制器。  

3G基地台需使用2個轉換器  

第三代的基地台需要採用兩個轉換器，以便在正常情況下以及電流中斷時可以提供+27伏的配電匯流排電壓。其中的一個高電壓轉換器直接從交流電電源獲得供電，並在正常作業情況下利用所得的供電為整個系統提供電源。另一個轉換器則在交流電電源中斷後利用-48伏的備用電池繼續作業。無論在設計及結構複雜性來說，這個-48伏的備用電池與上文提及的單輸出、高功率網路電話轉換器都大致相同。具功率校正因素(PFC)的交流/直流轉換器除了為第三代基地台的射頻功率放大器提供+27伏的典型供電電壓之外，也為負載點轉換器提供匯流排供電電壓。  

圖3所示的電源供應系統佈局採用單轉換級直流/直流轉換器，以便交錯使用主要的直流/交流轉換器及備用電池轉換器，使系統無需另外裝設一個400伏至48伏的直流/直流轉換器級。這樣的設計有助節省成本，而同時又能提高系統的整體效率。  

這個設計利用內含2枚場效應電晶體的正向轉換器產生27伏的直流匯流排供電電壓。這個正向轉換器設有2個位於上層的場效應電晶體，每一電晶體都與初級線圈連接一起，而變壓器的線圈匝數有適當的數目。每當交流電的供電電壓處於正確的範圍內，輸入電壓感應邏輯電路便會啟動位於頂層並連接400伏匯流排的Q2場效應電晶體。若交流電電源中斷，位於頂層的Q3場效應電晶體會自動啟動，以便利用備用電池為轉換器提供供電。獲備用電池提供供電的配電匯流排為主電源傳送器及3.3伏的「磚」轉換器提供27伏的供電，然後再由這個3.3伏的「磚」轉換器將供電傳送予負載點轉換器。  

目前市場上有多種專為電訊架構設備而設的電源供應系統可供選擇，以上介紹的三個方案可以刺激電源系統設計工程師的思考，鼓勵他們進一步分析不同的配電架構及轉換器佈局。  

DSL、網路電話及第三代基地台都各自採用獨特的解決方案，顯示市場上有各種不同的電源系統架構可供選擇。各廠商可充分利用這些技術開發高度整合的系統。每一個應用方案都可以盡量在輸入電壓範圍、輸出數目、供電要求、成本、效能以及體積等方面突出自己的獨特優勢，以便為市場提供更多選擇。  

半導體廠商正紛紛推出各種高度整合的控制器，以削減電源管理模組的成本以及精簡嵌入式轉換器的設計。由於市場競爭的關係，系統成本不斷有下調的壓力，令廠商不得不致力開發創新的架構，而這個不斷追求創新的過程便促進電源系統的佈局設計不斷飛躍發展。  

(本文由美國國家半導體提供)