通信系统的供电问题、方案及方向

■ 爱立信电源模块亚太区 高级产品经理 马国伟

　　电源技术总是朝着外型更小、效率更高及功率密度更高等方向发展，但同时，要受到最新的半导体技术发展对负载要求的影响；另外在通信系统应用里，信号完整性、系统可靠性及可生产性也对电源技术的发展及应用提出了附加要求。

　　半导体技术的发展对电源模块提出了下列的新要求：

·工作电压更低：低于1.0V；

·负载电流更高：高达50A～100A；

·多种逻辑电压同时在板上工作：最常用的是3.3V及1.8V，另外也用到2.5V及1.5V；

·时钟速率的提高带来更大、更快的负载电流瞬态变化；电流变化可高达50A；变速可高达1A/ns。

　　同时新一代高性能的通信系统如路由器，3G基站也提出了更高的要求：

·单板及系统的功耗更高；

·单板上元件密度更大；

·系统中电路板密度更大。

　　这些因素正从元器件层面、电路应用层面、系统层面以及企业管理层面等诸方面影响着电源技术的发展及应用。

　　元器件层面

　　为了适应输出电压不断降低(<1V)，负载电流不断提高(50A~100A)的趋势，使用低RDC(ON)的功率MOSFET的同步整流技术现已广泛应用于电流模块，令电源能在低电压输出时仍保持高效率(90%@3.3V)。

　　半砖式是目前30A输出电源模块中最流行的，并视为工业标准的封装。随着负载电流需求及电源模块封装密度的不断提高，现在已有更高功率密度，输出30A的1/4砖式模块及输出60A的半砖式模块产品推出。但由于功率器件技术的限制，在这些新电源封装密度提高的时候效率没有增加,结果电源功率损耗密度和温度同步上升。散热问题随之便成为高密度电源模块应用的瓶颈。由于系统电路板间距的限制。电源只能使用薄形的散热器(6mm)甚至不能安装散热器，因此高功率密度的电源模块在工作时必须使用非常高速的强制风冷。

　　为了实现最高的功率密度，一些电源产品在标准半砖式封装里提供高达60A的输出电流，令每个输出引脚需要承受超出半砖封装所规定的60A输出电流的极限，其结果是，即使有强制风冷，引脚温度上升也超过85℃，这样就会引发焊接点及PCB的可靠性问题。一种比较好的解决方法是，当电流超过10A时，采用多输出引脚以降低引脚的功耗及温升。

　　电源模块的封装正从完全密封方式朝着升级框架式的方向发展，进一步还会发展成为无基板式。但业界对无基板的大功率模块普遍存有保留看法，因为电源会产生局部热点无法扩散，降低风冷的效果。

　　电源模块正朝着表面贴装的封装方式发展，以便实现单一焊接流程的全自动化生产。另外，表面贴装的电源容许更窄的系统板间距，以及电路板双面贴装元器件，这都是提高系统整体性能的重要手段。目前，真正元器件级的表贴电源模块产品已经可提供高达8A的输出电流，而更大输出电流的产品也很快会面世。

　　电路及应用层面

　　输入端随着单板功耗的增加，电源的输入电流以及需要外加的输入电容量也同时增加，这导致单板在带电插拔时出现大的浪涌电流(100A以上)，引起信号完整性及接插件引脚的可靠性及寿命问题。因此，限制浪涌电流是必需的，而实现方法可以从使用最精密的热插拔控制电路到最简单的一个串联电阻。
　　输出端要满足处理器工作电压准确度的严格要求，特别是在大幅度及高速的动态负载变化的时候，电源输出需要加上大量的低等效串联电阻(ESR)电容，电源因此需要能在大容性负载及低阻抗的情况下正常工作而不出现振荡或起动问题。要缓和此问题可采用主动电压定位法，在电源输出引线中加入少量电阻以增大静态负载调整率，可以大幅地降低对外加电容量的要求而达到同样的负感电流瞬态响应，减轻对电源的容性负载要求。
多个电源在并联工作时要达到输出均流有多种方法，无源方法可以利用输出电阻加上远端检测补偿，有源方法是用均流集成电路加上电流检测电阻实现均流。部分电源也提供均流控制引脚，这可以达到最好的均流效果。

　　共通问题

　　在通信系统应用中，工作温度及风冷条件往往决定某一种电源或是某一种供电结构可否使用。系统的机械结构方式已经决定了板间距，散热器的最大高度，以及最高风冷速度，加上系统的最高工作温度要求，电源容许的最高功耗事实上早已决定。使用最高效率的电源往往是满足多种系统要求的唯一解决办法。

　　系统层面

　　在通信系统中，电源模块加上散热器，通常是板上尺寸最高的元件。所以系统的板间距会决定哪一种电源可以使用以及它怎样使用。如表1所示，在25mm的板间距里，可以使用半砖式电源加上薄形散热器(6mm)，在20mm的板间距里，可以使用半砖式电源但不能使用散热器；而在最陕窄的15mm的板间距里，只有8.5mm高的超薄电源模块可以使用。

　　超薄的电源模块让系统可以使用更窄的板间距，使系统的板密度大幅度增加。实践表明使用15mm板间距系统的板密度比使用25mm板间距系统高出75%。

　　另外一个可以提升系统功能而不用更改系统板间距的方法，是同时使用电路板的前后面来贴装元件。从表1及图1(b)中可看到8.5mm的表贴封装电源模块可以在25mm的板间距里作双面贴装。

　　在系统里使用高速处理器(如网络处理器及DSP)和FPGA等器件需要不同的工作电压给内核逻辑及接口逻辑供电，另外还有上电时序及压差的要求，这种多工作电压的要求可以用多组输出电源模块或单组输出电源模块加上电压调整模块(VRM)来实现。两者的取舍取决于总体功率要求，不同电压的功率比例，多少种不同的工作电压，单板上的可用面积、上电时序及压差的要求，以及供电结构对系统可靠性的考虑。

　　系统板间距与每层机架的电路板数量有关：(a)板间距25mm时每层有16块板，(b)板间距20mm时每层有20块板，(c)板间距15mm时每层有20块板。

　　企业管理层面

　　由于电源模块的性能及使用情况直接影响系统总体性能，包括可用性、稳定性、可靠性、售后服务、现场维护，更重要的是它会影响客户的满意度及公司的声誉，其影响范围及重要性远高于一般即插即用元件。因此，电信设备制造商在企业内成立一个电源应用技术专家组的做法实为明智之举。电源应用技术专家组是企业里的一个基本技术单位，任务是处理企业里从系统、应用到元器件层面各方面的电源问题。■

摘自《电子产品世界》