电源架构和电源管理总线

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  人们需要高效率、低功耗、符合能效规范的电子设备,需要更高性能、更小形状因数的无线系统,这为电源和电源管理设计提出巨大的排战。设计人员要为各种DSP、MCU、FPGA、ASIC、音频/视频和显示电路提供多电压、更大电流、更高效率、更低功耗、更低噪声、更小形状因数的电源和电源管理。为此出现了各种各样的电源架构来满足变化的电源管理要求。

  分布式电源架构

  分布式电源架构(Distributed Power Architecture,PDA)是基站用的第一代电源架构。PDA的一个实例示于图1。这种电源架构对每个电压轨用隔离(砖式)电源模块提供。当电压轨有限时,PDA工作良好,但每增加1个电压轨,其成本和PCB面积都显著增加。电压轨时序也是困难的,需要增加外部电路来解决电压轨时序,这也会增加成本和板面积。

  

  图1 典型的DPA架构

  中间总线架构

  为了克服DPA尺寸大和成本高的缺点,第二代系统采用中间总线(Intermediate Bus Architecture,IBA)架构。中间总线架构有固定电压(fixed voltage)IBA,非稳压(unregulated)IBA和准稳压(Quasi-regulated)IBA几种架构。图2所示的固定电压IBA采用单个隔离砖式电源模块和很多非隔离负载点(Pol)DC/DC变换器。Pol可以是电源模块(如TI公司的PTH系列),也可以是分立的降压变换器。隔音变换器的输入电压范围(36~75V或18~36V)与第一代相同。它所产生的中间总线电压稳定到3.3V,5V或12V。中间总线电压选择取决于系统设计师。这种设计的好处是:较小的PCB面积、较低的成本和较容易的电压时序(由于有自动跟踪特性)。这种电源架构使效率降低,每个电压需要两次变换。

  

  图2 固定电压中间总线架构

  为了满足微小区基站设计对高效率和小占位面积的要求,需增加隔离变换器效率,使其工作在固定占空比和不稳压输出,这就是非稳压中间总线结构。这种结构采用非稳压总线变换器,其输出电压是输入电压之比(例如TI公司ALD17 5:1变换器产生的输出电压是输入电压的五分之一)。用这种技术设计的150W系统的第一变换级用十六分之一砖式变换器效率可达96%。这种架构的限制是总线变换器的最大输入电压范围是36~55V。Pol的输入电压必须小于12V,才能使Pol产生1V或小于1V的输出电压。

  为了满足一些无线供应商坚持要保持36~75V传统宽输入电压规格的要求,电源供应商推出准稳压IBA。这种架构与非稳压IBA的主要差别是在输入电压超过55~60V范围,其输出电压稳定到10V左右。这种架构的缺点是隔离电源模块必须增大尺寸来实现稳压电路和在55V以上效率降低。

  分比式电源架构

  分比式电源架构(Factorized Power Architecture,FPA)采用3个灵活的单元来重新规定每个变换级的范围,使得电源密度和效率都比较高。第1个单元是总线变换器模块(BCM),这是1个窄范围输入、非稳压、高效率总线变换器,它采用ZCS-ZVS正弦幅度变换器(SAC)提供隔离和电压变换。有高电压(高达384V)和中电压(48V)输入两个版本。FPA的第2个单元是预调器模块(PRM),这是1个高效率升压一降压变换器。FPA的第3个单元是电压变换模块(VTM),它与PRM组合在一起提供低电压输出(如需要可低到0.82V)。FPA单元为电源系统设计提供更大的灵活性、伸缩性和更高的效率(图3)。就尺寸而言,工作在3.5MHz有效频率的SAC,对于高电源变换在小封装中采用平面磁性元件,这种结构使功率密度大于1000W/in3。

  

  图3 FPA系统(效率和尺寸)