1 引言

　　为了处理日益增加的、更为复杂的适时计算，当今的通信系统采用了大量的高功率计算ic，包括cpu、fgpa(field programmable gate array即现场可编程逻辑门阵列)和存储器。对计算速度增长的需要促使时钟频率和供电电流的相应增加，有些设备的供电电流已经超过100a。随着供电电流的增加，而供电电压却反而呈下降的趋势，这主要是因为计算设备此时可以用很好的线宽工艺来制造。此外，低电压、大电流对功耗是十分敏感的，所以对于电源设计者来说，需要采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源的体积和重量，改善电气性能指标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，xx对其它设备的干扰，增强智能化程度等是其基本发展方向。

2 通信电源设计面临的挑战
　　在当今的许多系统中，通信系统里线路板的成本是最昂贵的。故而尺寸的限制，加上低成本和新技术挑战的压力，使低压、大电流电源的设计成为通信系统设计中最难的任务之一。

2.1 稳压器的挑战

　　由于供电电压不断降低，已经达到1v，即使在电源干线上低到mv级的纹波，都可能给计算设备带来很大的影响。而大电流是产生电压纹波的主要根源，包括它在pcb板走线上，或在电源与cpu电源引脚间连接器上产生的10-50mv的电压降。当输出电压在l-1.5v范围内时，这种电压降就显得更为重要。因此，就必须在正向输出干线和输出回路(或负向输出)干线上进行电压采样。另外一个问题是现代的计算设备可以根据系统发出的命令不同而使供电电流瞬间改变，甚至高达20a。这样大幅度的负载变化，伴随着快速的电流转换速率使电压产生过冲。为了处理这些动态负载和减小输出电容，必须采用具有极其快速瞬态响应的电源。

2.2 散热的挑战

　　随着系统复杂性的增加，系统封装的密度也相应增大。散热成为系统硬件设计者必须面对的挑战之一。同时，对电压的稳定性要求苛刻的高性能的计算设备还要求对它供电的电源进行管理。因此，减小电源的功耗，排除pcb和功率器件上的过热点是非常重要的，这可以避免为已经很热的计算设备增加热量。

2.3 输入噪声的挑战

　　由于在许多通信子系统中，负载电源的分布总线通常使用3.3v，3.3v总线上的噪声必须减小，以确保从电源总线上获得功率的逻辑设备正确工作。由于在降压开关电源中输入电流存在波动，这就需要大量的输人电容或lc滤波器用以滤除输入噪声。这样的滤波电路通常会由于输出电流的增加或输人电压的降低而使体积和成本增加。

2.4 低成本要求的挑战

　　成品的电源模块，如“砖型模块”是非常昂贵的。此外，标淮电源模块对大多数应用而言，都远远超过实际所用电源的指标要求。因此，定制一种模块会花费时间和额外的费用，系统设计者应寻找其他节省成本的电源。

3　通信电源设计新技术

3.1　多相技术

　　为提高电流容量,传统的单相方案采用多个mosfet并联,再用一个庞大的电感器滤波,这种方法一方面会导致在mosfet上产生较大的开关损耗,且在电感器和mosfet焊盘上引起电流堆积,影响pcb板的可靠性；另一方面,由于效率与开关频率都很低,必须使用大输出电感器,使瞬态响应变慢。多相拓扑结构基于现有的单相结构之上,能有效解决单相结构中较大的纹波电压和较慢的瞬态响应之间的矛盾,非常适合低电压大电流精密电源的设计。多相技术的主要优点：

3.1.1纹波电流的xx使输人电容、输出电感和输出电容的体积及成本降低。

3.1.2输人纹波电流的xx减少了输人噪声，这对于3.3v分布式总线的应用更具有吸引力。

3.1.3可达到更快的负载瞬态响应。因为并联输出电感可以改善瞬态响应，比较小的等效电感可以提高输出电流的转换速率。

3.1.4可获得更高的效率。这是由干多相技术有较低的开关损耗和一致的电流分布，这更有助于减少热量，提高整个系统的可靠性。

一般来说相对于普通的单相pwm控制，多相pwm控制dc/dc变换器增加了一个或多个变换器，而且每个变换器的相位相对有一定间隔，如上图的两相pwm控制变换器的两个变换器on/off相对间隔为180°。工作中功率被平均分配到两个通道中，从而减小了各相承担的电流，避免了开关管、整流管、输出电感等器件过于疲劳，发热过于集中。并且由于通道之间交叉开闭，电流相互叠加，大大减少了输入、输出电流纹波，减小电磁干扰emi。多相pwm控制使输入电流有效值减小，可提高效率。在有效瞬态响应模式下，相位是按时间分布的，所获得的电流斜率是所有相位斜率之和，因此可大大缩短调节时间(过渡时间)，提高电源的快速瞬态响应能力。

3.2　板载电源

　　在低电压大电流电源应用中,由于每个板上的电源额定功率可以根据实际消耗的功率很容易地调整，电源的成本和体积就可以减小。因而板载电源已成为必然趋势,与标准电源模块相比,板载电源具有以下优势：

3.2.1　更强的负载调节能力：板载电源不存在电源输出与负载之间的互联电阻和电感,可以获得更好的直流和瞬态调节效果。

3.2.2　更高的效率：板载电源xx了电源连接器上的传导损耗,而且可以使用接地层和其它直流电源层传导直流电源,接地层和其它直流电源层的阻抗低于电源模块的阻抗,从而降低了pcb引线上的传导损耗,使电源具有更高的效率。

3.2.3　更好的散热管理：对板载电源而言,整个系统电路板起到了散热器的作用,因此,热点位置的温度要比电源模块上的低得多,从而提高了系统的长期可靠性。

3.2.4　更低的成本：板载电源的额定功率可以根据实际功率需要来确定,另外,它还节省了大电流连接器,在理想的瞬态调节能力下,仅使用单个或几个输出去耦电容,就能达到理想的性能要求,因此,与标准大功率电源模块相比,板载电源成本更低、体积更小。

3.3　同步整流和副边控制

　　在通信系统中,很多低电压大电流电源的输入引自背板的-48v电压,需要采用变压器耦合以实现电气隔离。这种电源的功率损耗主要来自次级整流器的传导损耗,使用同步整流技术可以大幅度降低次级整流器的传导损耗。需要注意的是,在某些工作条件下,自驱动同步整流技术还存在可靠性不太高的缺点,因此,在可靠性要求非常高的通信应用中,必须采用外部驱动技术。对变压器隔离电源而言,传统的稳压方式为初级控制方式,即输出电压的一部分(或全部)通过光耦合器传送给初级控制器,这种控制方式存在以下不足：一方面,使回路的带宽变得很窄(约为几khz)；另一方面，使电源的负载瞬态响应变得很慢。采用次级pwm控制可以xx上述不足。实验证明,采用次级pwm控制,在250khz开关频率下,环路带宽可以达到50khz,同时,负载瞬态响应也得到了明显的改善。

4 当前研究热点

4.1 减小功率晶体管开关损失可以采取的措施

4.1.1 回能吸收电路：是将缓冲电容上的储能返回电源或负载，或称为无损吸收电路。

4.1.2 有源箱位:是将电容器上的储能，由功率晶体管操作，在所需时间加以利用。

4.1.3 mosfet与igbt并联运行:利用了igbt通态压降小、入们sfet关断速度快的优点组合成一个性能优良的等效开关器件，此方法可应用于各种电路。igbt工作在软关断状态，但电路属硬开关性质，可用回能吸收电路减小mosfet的关断损耗。由于其辅助电路简单，只要驱动脉冲配合好，不论在满载或空载，两管的工作都能自动适配，负载电流小时两管电流同时减小。mosfe中没有过大的峰值电流，可靠性高。没有像零电压开通(zvs)和零电流转移(zct)谐振电路所有的几乎是固定的对应于近于两倍额定负载分量的峰值电流。

4.1. 零电压开通(zvs)和零电压转换(zct)：主开关管并联一个吸收电容器，减小关断损耗，相当于回能吸收电路;zvs工作过程是先将电容电压放电到零，再开通主开关管。zvt是指在主开关管两端并联一个谐振电感与辅助开关管串联通路，来实现零电压开通的电路。

4.1.5 零电流关断(zcs)和零电流转换(zct)：zcs是指先将主开关管的电流减小到零，再关断主开关管;zct是指在主开关管两端并联一个谐振电容器、谐振电感与辅助开关管串联通路，来实现零电流关断的电路。

　　近年来学术界、科技界对零电压开通(zvs)和零电压转换(zct)及零电流关断(zcs)和零电流转换(zct)两项内容的多种电路做了大量研究，是目前的研究热点。

4.2 通信用开关电源的主要方案

　　大功率通信用整流器中的直流(dc/dc)变换器部分大多以脉宽调制(pwm)、移相桥为主。目前主要拓扑如下：

4.2.1双管正激和双正激变换器：后者常由两个双管正激组成，双管正激由于具有不会出现共态导通、不会出现不稳定的直流磁化、易从空载到满载运行、技术问题少、可靠性良好等优点而最早受到重视。但双正激要多用二极管、变压器、电感等器件。双正激变换器在功率不大时也可加以简化。

　　变压器起到隔离很传递能量的作用，工作时变压器原边承受的电压为输入电压的一半。由于两个mos管是交替打开的，所以两组驱动脉冲的相位相差应大于180°，故存在一定死去时间。此电路减小了原边调整管的电压应力，是目前比较成熟和常见的电路。
　　以上方案采用pwm控制，容易实现负载在宽范围(例如含轻载和空载)内变化条件下可靠运行。

4.1.3 移相全桥变换器：用移相控制来实现pwm原理调节输出电压，在不增加功率晶体管情况下就可实现zvs具有相当高的效率。但基本电路在轻载和空载时，零电压转换有困难，可靠性降低。幸而大系统的通信电源负载电流变动较小，且多台并联运行，可调整运行台数，避免轻载运行。

展望

　　从目前来看，利用板载电源的设计技术和多相工作技术可以满足通信系统中所需要的低电压、大电流电源的要求。总之，它与传统方法相比降低了成本，并可以得到更好的性能。对于有隔离的电源，同步整流和副边控制技术也正由于它们的效率高和快速瞬态响应的特性而被普遍采用。