为明天的数据联网系统供电

作者阐述了现代通信业对电源系统的要求，以及如何为数据联网系统选择合适的供电方式和系统。

板上DC/DC电源模块

分布式供电结构(DPA)

数据联网应用的要求

总结

Per Lindman

爱立信有限公司微电子部

Kwokwai Ma博士

技术经理

爱立信有限公司微电子部

随着现代电信业的发展，电信和数据通信都可以连接到一个通用的连接网络。这就需要大量的新型数据联网设备，高速中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、用于LAN和WAN交换的10Gbit/s的高速传输路由器及交换设备、以及SDH系统设备。固定和移动接入系统都要连接到这些新型联网设备的接入点上。还要提供大量基于TCP/IP和/或ATM的语音、视频及数据服务。

这些新型的数据联网设备及网络接入系统都会包括对成本敏感的板上电源解决方案，而且开发进程必须满足设备生产商和电信营运商要求的短面市时间(TTM)。

为了迎接电信领域的新挑战，生产出价廉物美的板上DC/DC电源模块，电源供应商必须在TTM、质量和性能价格比方面具有世界一流的研发及生产能力。产品的开发必须遵循客户及应用设备的特殊需求。板上电源解决方案的设计必须具有高集成度以尽量减少器件数量和故障率、限制关键特征及优化生产流程以增加产量并努力达到“零缺陷”。

板上DC/DC电源模块

板上DC/DC电源模块的开发设计应满足以下四大要求：小型化以节省宝贵的板上空间；薄封装以适应狭窄的系统板间距离；输出电压能达到1.8V及更低；以及3.3V电压时效率高于90%。

新的功能要求快速的动态响应和精确的静态负载调节，以及不断增大的负载电流和表面贴装化(SMT)，这些都要求开发出电路及结构设计方面新的技术和解决方案。

小型化将不断节省板上空间。由于采用了新的元件封装技术和更高效的电源转换线路，输出功率和电流不断增加，目前一个标准半砖封装的电压变换模块输出电流可达到60A。新的表面贴装技术结合具有良好热性能的小型化的封装，实际上消除了封装热阻抗并且大幅地提高了功率密度。

SMD型电源模块越来越多地应用于低功率应用，以后也会应用于较高功率领域。一块板上同时采用插接式封装的DC/DC电源模块和其它SMD元件时，电路板的生产成本将十分昂贵，因为生产时要用到两种不同的焊接工艺。

采用薄封装电源模块是为了适应狭窄的系统板间距离并能改善系统的散热管理。为了满足不同市场的要求，板上的DC/DC电源模块高度应低于8.5mm。高度要求取决于机架内的板间距离。DC/DC电源模块及其散热器往往是板上最高的器件，而变压器及输出电感等磁性元件则是电源模块内最高的器件。为了适应狭窄的系统板间距离，DC/DC电源模块不应该使用散热器，因此要求电源模块有很高的转换效率，并使用平面磁芯及绕圈来降低电源模块本身的高度。

集成电路的集成度及工作频率越来越高，高集成度要求更密的线宽和更低的供电电压,以及更大的工作电流。因此要求DC/DC电源模块有更高的效率以作配合。最新的板上DC/DC电源模块采用了输出同步整流的精密电路，能在输出电压为3.3V时达到大于90%的高转换效率。

为了正确地开关功率场效应管，在导通电阻和栅极电荷之间必须作出适当的设计折衷。采用了优化工作于更低电压的新式元器件，在输出电压1.8V和1.5V时转换效率有可能接近 90%。最近，随着应用于同步整流的功率场效应管技术的发展，增加了沟道密度，并减少了每单位面积的闸电荷。现在的芯片面积只需上一代芯片的一半，就能处理相同的电流，实现在高频率开关时保持高效率。开关频率较高，DC/DC电源模块就能用较小的电容和电感并能使反馈控制环有更大的带宽，输出就有更好的动态响应。

使用输出同步整流的电源模块与采用肖特基管整流的模块有不同的特性。同步整流的优点除了更高的转换效率外，还包括精确的负载调整率和不需要最小负载。但是它的缺点是，如果没有起相或作用的输出二极管或有源输出均流控制，几个输出之间就不能并联工作。

接入网系统经常在不受控制的环境下工作，设备内部的工作环境温度范围可达-40度到+85度。这代表着板上的DC/DC电源模块必须有很好的热设计，其外壳温度范围至少为-40度到+100度。

低输出电压(<3.3V)的板上DC/DC电源模块通常按其输出电流来分类及制定规格，而不象较高输出电压(例如5V)时那样按输出功率分类。

这是由于一个1.8V/30A输出的电源模块的设计，与3.3V/30A的设计类似，但设计一个输出为1.8V(83A)150W的电源模块与一个输出为5V(30A)的相同功率的电源模块则大不相同，特别是在输出级和散热设计方面。

要提高电源模块的输出电流及热设计,需要采用新的器件、材料、设计工具和技术。设备生产商的产品面市时间的缩短促使他们采用标准的板上DC/DC电源模块，从而节省定制设计及认证测试一个新的DC/DC电源模块所需要的时间和金钱。为了能保持甚至是改善性能价格比，需要高产量和高自动化程度，以弥补日益增加的技术开发投入并降低元件和生产成本。

分布式供电结构(DPA)

从80年代初开始，通信交换系统(图1)就采用了DPA。数据通信应用首次应用DPA和48V直流供电是FutureBus+，并于1992年被标准化。

从那时起输出电压不断降低，在不远的将来有可能达到1V以下。这样发展下去，DPA将成为唯一的能满足板上低电压和动态及静态性能的实用且经济的解决方案。板上DC/DC电源模块是分布式供电结构的关键部分。一根标准的直流电压总线为机架内的板上DC/DC电源模块供电。一般每块板构成系统中的一个可替换单元，即一块板如果出现故障，不会影响其他板并且系统能继续运行。用DPA的好处包括在主电源出故障时有后备电池供应、低配电损耗、以及一个能满足电压和功率变化需要的灵活的模块化解决方案。

要实现每微秒100A的高速动态响应，必须将去耦电容、有宽带控制环路的DC/DC电源模块及超高速稳压器结合起来。

在最严格的CPU内核供电应用中，由于需要很高的输出电流和严格的动态响应要求，所需去耦电容的数量和尺寸、以及传统单相转换器的成本和热性能都将令人无法接受。在这种情况下，多相或交替式开关电源转换器解决方案能令功率场效应管提供较佳的性能价格比和散热处理。

它的原理是使用几个有相移的开关电源转换电路以提高有效开关频率(<1MHZ)来改善动态响应，以减小电容的数量和尺寸及每个相位的尖峰电流。

由于减小了每相的尖峰电流，数个较小的表面贴装功率场效应管就可以替代一个较大的带散热功率场效应管。

在DC/DC电源模块机箱架内，当板的间距为20mm时,所允许的器件高度最高为12.7mm，具体的高度取决于板的大小和厚度。当板的间距为15mm时，器件最高为8.5mm。

用48伏直流系统电压的分布式供电结构(DPA)，将成为数据联网系统的优先电源解决方案。实际上它已成为电信系统的世界标准，包括第三代移动无线系统UMTS/WCDMA。一些现有的蜂窝无线系统(24V直流电)及一些国家的电信交换系统(60V直流电)则采用了其它的系统电压。

数据联网应用的要求

板上DC/DC电源模块的功率要求，从用于通信交换的每块板10W，到用于高速CPU和高速10Gbit/s路由器的每快板超过200W。

在大功率应用时需要使用强制风冷，在低功率应用中由于要实现高封装密度及更小型化的设备，也越来越多地使用强制风冷。

1．总体要求

正常的输入电压范围是从36V到60Vdc，但具体要求是大不相同的。设备生产商可能采用ETSI的A接口的规格范围40.5到60Vdc，或者更窄的范围，例如42Vdc±5%。采用36 75Vdc的板上DC/DC电源模块能满足全世界的需求。

虽然板上DC/DC电源模块没有明确的规则要求安全隔离，大部分的应用都要求电源模块的初级和次级之间有隔离。从电源安全规则的角度来看，这两级都是二次电压(一次电压是交流市电)，隔离是出于运作上的原因，例如控制接地环路和电流。

电磁干扰(EMI)水平通常要满足CISPR22/EN55022/FCC15J的A级标准。虽然板上主要的传导噪声由高速开关的逻辑和处理器产生，板上的DC/DC电源模块通常要求有内置滤波器。对于大功率的电源模块，市场上带有内置式A级EMI滤波器的产品十分有限，通常都采用外置式滤波器。

随着半导体工艺的发展及性能的优化，一块电路板经常需要多种电压。ASIC通常需要双电源供电，因此需要一个经济的解决方案。

有多种方案可提供板上的多个电压输出，分别为独立的多个DC/DC电源模块、独立调节的双输出DC/DC电源模块、及稳压器。

在大功率应用时使用多个独立的电源模块是比较合理的，对上电次序控制也方便。独立调节的双输出板上DC/DC电源模块可以容易地在市场上找到，用在低功率时性能良好，而且比多个电源模块的成本低。在低功率时，如果需要三种或更多的电压，稳压器是低成本且较灵活的设计方法。

2．机械结构和热条件板的间距通常在25到30mm之间，电路板通常由18到22层，厚度大约为2.5mm。板的面积从一个欧洲标准尺寸到大至500平方毫米。

由于机箱内的功率损耗很高，因此需要使用风速1m/s到3m/s的强制对流。一个机箱内的功率损耗可能超过3KW。数据联网设备在室内工作，机箱内的环境温度范围通常在0到+70度之间。

3．质量、可靠性及寿命

对于现代电信业生产商，购买的材料必须具有极佳的质量和可靠性，所以板上DC/DC电源模块也必须优质和可靠。所有产品和服务实现无缺陷是最终的质量要求。对于所有的材料通常要达到<1ppm(百万分之一)，供应商的生产程序也十分重要。

数据联网设备必须满足与其它的通信设备和系统同样的要求，因而其可靠性和可用性的要求十分高。对于大功率(150W)的板上DC/DC电源模块，要求故障率低于400FIT及很高的出厂质量。有些客户要求DC/DC电源模块的批次验收率符合MIL-STD-105的AQL的抽样标准。

使用寿命的要求反映了快速的开发周期和新产品设备的上市。通信设备的使用寿命通常为15-20年，但现代通信业的趋势将其缩短为10年。

4．特殊的功率要求

为易于电路板的带电插入，需要限定浪涌电流，典型值为每微秒0.1A，可由一个内置式慢启动功能来控制。不应把这个值与板上DC/DC电源模块的输入电容的充电电流混淆。现代的板上DC/DC电源模块的输入电容相对较小，因此开始充电时的瞬时电流在正常情况下不会影响系统运行。

然而，为保证稳定地运行，一些大功率的板上DC/DC电源模块的输入电容很大，以补偿直流电压总线上相对较高的阻抗。在电路板热插入时，电容的瞬时充电电流可能导致电源系统锁存、关闭或烧毁输入保险丝，所以需要加入外部电路来限制浪涌电流。

一些应用设备需要很大的电流，较大型的IP路由器里的电路板所需的最高值达到60A，通常这些电路板只需较低的供电电压，对于高性能的CPU只需1.1V。

数据联网系统的供电电压为：

CPU: 3.3V/2.5V至1.1-1.8V

存储器: 3.3V/2.5V

激光二极管和磁盘驱动器: 5.1V/12V

DSP: 2.5V/1.8V至1.2-1.5V

I/O接口: 3.3V/2.5V

输出电压的容许范围是±3%，纹波的峰-峰值低于50mV。一般对动态性能没有严格限制。大部分的电路板都连续工作，且CPU一直处于工作状态，板上DC/DC电源模块的动态性能和标准去耦电容通常都能满足要求。睡眠模式和其它节能技术更多地用于例如ADSL板之类的不必连续工作的NT设备中。

用于数据联网应用的板上DC/DC电源模块

用于数据联网应用的DC/DC电源模块具有高功率密度，其典型封装是工业标准的半砖封装(57.9x61.0x12.7mm)，或四分之一砖(57.9x36.8x12.7mm)(见图2)。设计时通常将其集成到一块铝基板上，以利于散热。基板用作功率损耗器件的散热器，在温度较高的环境里，也可把外部附加散热器加到基板上。

半砖封装的功率密度大于每立方英寸100W，在目前的工艺水平中，产品的输出电流可达到60A。使用同步整流技术，效率可高达90%(图3)。

机箱内部的强制风冷的风速为1到3m/s，也能冷却板上DC/DC电源模块。如果电源没有外部冷却装置，需要把输出电流降额。

其他的重要特性还包括：较好的动态调节能力和较好的输入电压及负载调节能力。虽然电源模块与板上的其它线路离的很近，但即使在短距离内大电流也会导致明显的电压降。当电源模块和其它电路之间的导线电阻为2毫欧姆时，在30A输出电流时压降便有60mV，这相当于在3.3V输出时有2%的偏差。如果供电电压的容许范围为±3%，它只给板上DC/DC电源模块留了1%的偏差范围。板上的动态阻抗可能高达几欧姆，由于线路板中不同层之间的导线会存在寄生电感，当DC/DC电源模块提供大动态电流时，必然会引起较大电压降及电压突变。

因而，当电流变化很快时，需要加上较大的去耦电容，同时模块电源也要有良好的动态调节性能，以减小输出电容值。

在大功率时，输出纹波峰-峰值要小于50mV，由于高密度DC/DC电源模块的封装体积的限制，不能把所有的输出滤波电容放入模块内部，所以需要外加输出滤波电容。

DC/DC电源模块还需要更多的功能和保护电路，包括遥控开关、输出调压来满足特殊应用所需的精确电压值、电压遥测以自动补偿大输出电流造成的压降；过流及过温保护以防电源模块在短路和温度过高时损坏。这些功能和保护电路多是市场和客户的特殊要求，细节需要与设备生产商合作制定。

总结

电信业的发展将需要大量新型的数据联网设备和系统。这些新设备和系统要有高性能、灵活和经济的电源解决方案，以满足不断变化的对供电电压的要求和新电信营运商要求的短面市时间。用48Vdc电压总线的分布式电源结构成为唯一实用和经济的解决方案。板上dc/dc电源模块是其中的关键因素，它要具备高效、良好的可靠性和很好的散热设计。