DSL网关产品的电源管理解决方案

DSL(数字用户线)网关使小型企业、分支机构和家庭可以将一个单用户宽带互联网连接扩展到多个用户。这种网关通过一条以太网电缆连接到一个现有的DSL调制解调器，从而可为单个或多个用户提供一个物理的以太网或无线局域网连接。用于CPE(客户端设备)服务的DSL调制解调器需要给内部芯片组提供多种稳定电压。本文将讨论CPE调制解调器的功率要求和相应的设计考虑。

CPE ADSL调制解调器结构

DSP、AFE(模拟前端)和线路驱动器是ADSL(非对称DSL)调制解调器的三个主要组成部分。尽管数字技术是ADSL的处理基础，但主要是补充性模拟和混合信号技术才使得ADSL调制解调器可以很低成本进行部署。在ADSL调制解调器设计中，模拟和混合信号技术是最重要，因为这部分元件占据了PCB板的大部分面积。整个调制解调器系统的设计目标是尺寸要小。

低功耗和低成本是CPE DSL调制解调器的两个最重要的设计目标。除了在AFE里集成低功率差分接收器之外，一个差分线驱动器还集成了用于低功率有源匹配的线路。有源匹配线驱动器技术事实上可消除功耗极大的匹配电阻，而这些电阻以前需要用来进行线路匹配。另外，消除了匹配电阻也就降低了线驱动器的输出电压要求，从而允许全速率的下行ADSL DMT(离散多音频)可以在单12伏甚至单5伏电源下工作。集成在优化模拟系统性能方面发挥了关键的作用，它是降低整个BOM(元件清单)成本时一个最重要的考虑因素。

ADSL调制解调器还包括一些辅助性元件，如SRAM、闪存和以太网物理层器件。图1展示了CPE ADSL调制解调器的主要模块和DC电源系统的关系。

电源管理要求

随着数据吞吐率和沿双绞电话线的远距离传输能力的改善，ADSL调制解调器也获得了更多的应用。不过，在部署ADSL系统的配置时，我们在关注性能的同时也不能忽视了成本。电源管理功能的优化对于在降低成本的同时最大限度地提高ADSL设计的效率而言是至关重要的。此外，在一个设计很差的电源中，由过量功耗产生的热量需要额外的PCB板空间来进行热管理。如果电源模块不能有效地控制分配到不同系统芯片上的电源，则系统性能将大打折扣，而采用可以控制元件、板空间和最终成本的先进电源管理技术则可以大大提高系统性能。

传统电源管理方案需要很多独立芯片

DSL网关电源可以为不同接口提供不同的电压。大约75%的电力来自可提供12伏电压的墙上AC-DC交直流适配器，另外25%来自可提供5伏电压的USB电源。本文将重点讨论在DC电源应用中采用AC-DC适配器的系统。图2显示的是CPE调制解调器的传统电源解决方案。

典型ADSL芯片组的电源

一个典型的CPE调制解调器包含好几种芯片，如SRAM、闪存、以太网物理层器件、线驱动器、AFE和DSP。下表列出了他们所需的典型电压和电流要求：

新的电源要求对PCB板设计者提出了越来越大的挑战。虽然目前设计的CPE调制解调器功耗和成本都很低，但它们仍然必须满足所要求的性能标准。此外，先进半导体工艺技术的更细线宽要求更低的电源电压和更大的电流。最新一代DSP器件的电压已从1.8V降低到1.2V。分布式电源架构要求局部稳压器要在负载点附近生成电压，并应尽可能地靠近要供电的器件。

某些分布式电源模块是开关型DC-DC降压型稳压器，它们由控制芯片组成，这些芯片可以控制MOSFET(金属氧化物半导体场效应)晶体管驱动芯片。这个驱动芯片可以为外部控制大电流的MOSFET晶体管提供门级驱动。常用精密电阻来感应电流变化。多个电源会导致外部元件增多，也会提升总的BOM成本。这不是我们想要的结果，另外，多个电源还需要更大的PCB板空间，并且还会带来更多的布局和制造方面的问题。

需要高频率DC-DC开关转换器

在ADSL调制解调器应用中，设计人员希望DC-DC开关稳压器的工作频带很宽。传统的PWM开关转换器一般工作在300KHz，但它在ADSL调制解调器中不能很好地工作。因为ADSL的频率范围扩大到了1.1MHz左右，任何在此频段的开关频率都可能带来噪声并会干扰数据通讯。这种干扰是由工作在ADSL频段的开关稳压器产生的谐波引起的。为了避免这些问题并最大限度地维持ADSL的数据吞吐率，基本的开关频率就要在1.2MHz或更高。另外，工作频率越高则输出纹波就会越低，从而可以采用更小的滤波元件。

新型高集成度电源解决方案节省空间和成本

现在为ADSL应用准备的先进电源解决方案可以在不牺牲性能的情况下显著节省成本和空间。高集成度的多电压输出稳压器芯片，包括两个开关稳压器和一个线性稳压器，降低了总的BOM成本，节约了板空间，同时也节约了相关的制造成本。图3表示的是这种集成电源解决方案的基本框图。

更高的电源转换效率可以通过采用同步开关拓扑布局达到，这意味着芯片工作时会产生较少的热量。更高集成度允许更高的开关频率，而这允许使用更小的滤波元件，从而减少更小的板空间。最后，较少的元件、较低的工作温度和发热量更低的芯片也导致了可靠性的改善。电源工程师必须设计高性价比和高效的电源解决方案以满足这些分布式电源的要求。

一个高效高性价比的解决方案

Intersil公司已经开发出了第一个用于宽带网关中CPE调制解调器的专用单片电源芯片。ISL6402A是一个集成了MOSFET驱动器和一个线性控制器的通用双PWM控制器，它使你很容易就可实现一个紧凑、高效的稳压解决方案。器件工作在1.4MHz开关频率，从而消除了对ADSL频段的潜在干扰。

DC-DC电源系统的效率是降低功耗的关键。正如前面提到的，同步降压开关转换器可以提供最高的效率。Intersil公司ISL6402A芯片的三输出控制芯片是专为解决与ADSL CPE调制解调器和网关电源相关的空间、效率和成本问题而设计的。

MOSFET的同步控制可产生一个非常高效的系统。将MOSFET驱动器和控制器集成在同一个芯片上更进一步降低了功耗和成本。此外，用MOSFET的rDS作为电流敏感元件也提高了效率，降低了成本。图4显示的功能曲线表示的是对Intersil公司ISL6402A的两个同步开关输出所测的效率和负载电流之间的关系。

集成的其他功能

ISL6402A还提供了很多相关的功能。软启动功能可以控制输出电压的斜坡曲线。这个器件还综合了几种保护功能。当两个控制器的软启动都已完成，且输出电压在设置点的10%范围内时，PGOOD(电源好)信号就会有效。过压保护功能保护输出电压不高于设置点的115%。一个可调的过流保护电路靠感应MOSFET管上的电压衰落来监控输出电流，当检测到有过流保护发生时，会重新开始软启动。如果节点温度超过150摄氏度，热关闭电路就会关断器件。

5.6V到28V的宽输入电压范围允许使用目前常见的且未稳压的9V、12V和18V直流电压。最后，它的32引脚QFN小封装可以非常有效地利用空间。

本文小结

仔细设计智能化电源管理系统对于能否设计出成功的ADSL系统来说非常重要。网关产品设计工程师必须利用高度集成的电源模块，它可以为系统中的多个局部电源提供完整的解决方案。用以满足CPE调制解调器电源要求的低成本、小尺寸和高集成度芯片是开发出这样一种电源解决方案的基础，它们使你可以开发出极具成本竞争力的可大量部署的ADSL调制解调器。

作者：Art Stryer

现场应用工程师

Intersil公司