减轻开关电源对ADSL调制解调器速率影响的折衷策略

为确保ADSL调制解调器具备恒定的数据吞吐量，设计工程师必须全面考虑电源对调制解调器速率的影响，本文从开关电源频率选择、电源纹波、体积和效率选择几个方面探讨了如何减轻开关电源对ADSL调制解调器速率影响的策略。

ADSL调制解调器用双绞电话线传输信号，随着距离增加，双绞线上的高频信号会衰减，导致大约经过几千英尺距离之后调制解调器的速率开始下降，而随着环路长度达到3英里的临界点时，调制解调器的速率陡然下降。在环路长度最长时，ADSL调制解调器的速率会下降到大约100kbps，因而数据吞吐量会急剧下降。在这种线路长度情况下，传输信号的衰减可达80dB至90dB。因此调制解调器必须采用降噪技术以提升信噪比(SNR)，或采用最小化串扰和干扰技术，以获得较大的信号动态范围。

不巧的是，在电源开关频率位置处调制解调器的SNR有一个最小值，这一最小值对传输数据速率有负面影响，它可降低调制解调器总的数据传输率。为了解决电源对调制解调器的影响问题，设计工程师首先必须了解电源开关频率与调制解调器工作特性之间的关系。

ADSL调制解调器通常在25kHz到1.1MHz的频带传输数据。下行方向(到客户端)使用138kHz到1.1MHz的频带。上行方向(客户端到服务器)则使用25kHz到138kHz的频带。调制解调器将频带分成256个等间隔的副载波，这些副载波可以分配来进行语音传输、上行/下行数据传输以及缓冲区应用等。分配给每一个副载波的比特数取决于噪声和干扰电平。

图1显示出电源开关噪声对ADSL客户端调制解调器上每一个副载波数据率的影响情况。一个80mVpp、250kHz的方波影响了3.3V的直流电压，并显著降低了250kHz副载波位置的数据率，而在其谐波分量如500kHz及750kHz副载波位置处的影响就比较小。方波信号的谐波遵循sin(x)/x函数关系，即在奇次谐波的倍数处取得峰值。图1中的数据代表了11,000英尺长的传输线的情况。图2显示出调制解调器总速率降低与电源开关频率以及纹波幅度之间的关系。这一数据表明纹波幅度以及开关频率都会影响调制解调器的总速率。例如频率为100kHz时，6.7Mbps速率的纹波幅度是10mVpp；频率为1MHz时，允许的纹波幅度高达80mVpp。

开关频率与传输速率

有两个原因可以解释为什么电源开关频率越高，对总速率的影响就越小。一是开关频率越高，对频率更高的副载波影响越大，而在这些频率更高的副载波通常都具有相对较低的比特率。二是频率越高，则其谐波在频谱上会分得更开，受影响的副载波也就更少。

电源开关频率高于1.1MHz时，对调制解调器速率的影响通常很小甚至没有影响，这是因为开关频率的基频成分高于数据传输频率。开关频率降到100kHz以下时，基频成分会低于第一个下行副载波，不过其谐波分量会影响最高达到1.1MHz的多个副载波。

开关频率对电源的影响

开关频率也会影响电源的指标，这包括电源体积、成本、效率和可靠性。其中任何一个指标都不可能独立于其它指标而优化，而且在绝大多数情况下，仅仅优化一个电源指标可能会导致整体解决方案的劣化。

这里存在一个错误观点。一般来说，设计工程师以为低频时不仅需要更多滤波，而且滤波元件的尺寸也会增大，因为滤波元件的尺寸和开关频率呈现反比关系。例如100kHz电路需要22μH的电感，而1MHz电路仅仅需要2.2μH的电感。由于电感尺寸随电感值的减小而迅速缩小，因而尺寸要小得多。

实际上，电感体积的缩小与电感值的减小并非线性关系。在某些特殊点，开关频率的提高并不能有效减小电感体积。另外，电感变小时，封装和焊盘所占电感总体积的百分比也会增大，这就减小了因频率提升而导致电感体积变小的缩小量。

对于防止耦合来说，具有闭合磁通路径和屏蔽的电感比“空芯”的线轴类型磁芯更合适。闭合磁心结构可将绝大部分磁通线保持或限制在磁性材料内部，因而可防止其耦合到相邻元器件及信号线上。电感缝隙附近位置的磁场最强，所以布局布线时必须谨慎处置以确保敏感及高阻抗电路远离这一区域。由于必须使用更小规格绕线，因而带屏蔽电感的电流额定值比非屏蔽类型的电感要低25%左右。

所需的最小输入和输出电容同样也与频率成反比。频率增加，所需滤波量就会降低，因而所需的电容值也就降低。在较低频率情况下，陶瓷电容器不能提供滤波所需的大容值，所以通常使用铝电解电容、有机质电解电容或者特殊聚合体电容器。由于这些电容的ESR以及纹波电流有限，所以其体积随开关频率的变化非常小。

由于陶瓷电容的ESR非常低且容量有限，500kHz以上频率的滤波器中可以选择陶瓷电容器。随着开关频率增加，每个导通周期由电容器提供的电荷总量会降低。因为电荷总量决定电容值，因此频率升高所需的电容值就会降低。然而和电感器一样，封装方面的问题会弱化由电容器体积减小而带来的好处。

尽管随着频率的增加，滤波元件面积会减小，然而控制电路的面积却维持不变。图3显示出总的电源面积以及控制电路和滤波器电路面积随频率增加而减少的情况。例如从100kHz到250kHz时，总面积大约减少23%；而从250kHz到500kHz时总面积仅仅减少了13%。

开关频率与效率

开关频率直接影响电源的效率。电源中主要的功耗元件是功率场效应管(FET)。FET的损耗包含几部分，其中的一些部分同频率有关。FET中的传导损耗与频率无关。该损耗是电源电流与FET电阻的函数。FET损耗正比于频率，但也与栅极驱动、C_oss(场效应管输出电容)、反向恢复、体二极管传导以及开关损耗有关。电源每经历一次开关周期，FET将消耗一定数量的能量。一秒钟内电源开关的次数越多，则与频率有关的损耗就越大。

在低频情况下，FET传导损耗占主导地位。在高频情况下，传导损耗维持不变，而同频率有关的损耗会增大。最大输出功率情况下，100kHz和1MHz时电源中固定的损耗都是892mW。100kHz时与频率有关的损耗是165mW，而在1MHz时这一损耗会增加到1650mW。

电源可靠性和成本也与开关频率存在间接的关系。开关频率越高，效率就越低，从而导致工作温度升高。温度每升高10°C半导体器件的失效率会加倍。有关温度升高的评估如图4所示。

幸运的是，对温度上升造成的危害，设计工程师可以有几种做法：1. 增加可用散热面积。这可能包括使用更大或多个并行部件，以及使用更大的印制线路板来散热。例如，用两个SO-8封装或一个D-Pak封装来替换一个SO-8封装就可以有效地降低结温。2. 增加冷却风扇、散热器，或同时使用冷却风扇和散热器。这两种做法都将增加电源的总成本以及电源体积，但是效果显著，例如对表面积超过2.5平方英寸的电源，在1MHz工作频率以及最大负载情况下，温度上升只有45°C。

折衷办法

为确保调制解调器有恒定吞吐量，需要不断在开关频率与纹波、尺寸和效率之间进行折衷。电源设计工程师必须从系统的角度考虑电源的设计，要充分考虑所有的设计因素。

如果考虑的重点是减少面积，那么设计工程师就可以选择500kHz左右的开关频率。在500kHz开关频率下，由于调制解调器对开关噪声的灵敏度降低，且电源效率仍维持在可以接受的程度，因而电源面积几乎可以达到最小值。

如果决定性因素是损耗最小，那么电源应该运行200kHz到300kHz之间。在这一范围内，与频率有关的损耗保持最小值，并且电源效率也接近其最大值。然而为了确保调制解调器吞吐量维持在一个可以接受的水准，需要额外的滤波器件，这样会增加电源体积。

作者：John Betten

高级设计工程师

Michael Day

电源管理应用总监德州仪器公司