用高效开关电源优化高速通记产品的电源设计

    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，并成为通讯电源的首选方案。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的偏置电压最低不小于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最简单、最廉价的解决方案。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