通信系統的供電問題、方案及方向
2019-11-03 09:56:37
供稿：網友
■ 愛立信電源模塊亞太區 高級產品經理 馬國偉 電源技術總是朝著外型更小、效率更高及功率密度更高等方向發展，但同時，要受到最新的半導體技術發展對負載要求的影響；另外在通信系統應用里，信號完整性、系統可靠性及可生產性也對電源技術的發展及應用提出了附加要求。
半導體技術的發展對電源模塊提出了下列的新要求：
·工作電壓更低：低于1.0V；
·負載電流更高：高達50A～100A；
·多種邏輯電壓同時在板上工作：最常用的是3.3V及1.8V，另外也用到2.5V及1.5V；
·時鐘速率的提高帶來更大、更快的負載電流瞬態變化；電流變化可高達50A；變速可高達1A/ns。
同時新一代高性能的通信系統如路由器，3G基站也提出了更高的要求：
·單板及系統的功耗更高；
·單板上元件密度更大；
·系統中電路板密度更大。
這些因素正從元器件層面、電路應用層面、系統層面以及企業管理層面等諸方面影響著電源技術的發展及應用。
元器件層面
為了適應輸出電壓不斷降低(<1V)，負載電流不斷提高(50A~100A)的趨勢，使用低RDC(ON)的功率MOSFET的同步整流技術現已廣泛應用于電流模塊，令電源能在低電壓輸出時仍保持高效率(90%@3.3V)。
半磚式是目前30A輸出電源模塊中最流行的，并視為工業標準的封裝。隨著負載電流需求及電源模塊封裝密度的不斷提高，現在已有更高功率密度，輸出30A的1/4磚式模塊及輸出60A的半磚式模塊產品推出。但由于功率器件技術的限制，在這些新電源封裝密度提高的時候效率沒有增加,結果電源功率損耗密度和溫度同步上升。散熱問題隨之便成為高密度電源模塊應用的瓶頸。由于系統電路板間距的限制。電源只能使用薄形的散熱器(6mm)甚至不能安裝散熱器，因此高功率密度的電源模塊在工作時必須使用非常高速的強制風冷。
為了實現最高的功率密度，一些電源產品在標準半磚式封裝里提供高達60A的輸出電流，令每個輸出引腳需要承受超出半磚封裝所規定的60A輸出電流的極限，其結果是，即使有強制風冷，引腳溫度上升也超過85℃，這樣就會引發焊接點及PCB的可靠性問題。一種比較好的解決方法是，當電流超過10A時，采用多輸出引腳以降低引腳的功耗及溫升。
電源模塊的封裝正從完全密封方式朝著升級框架式的方向發展，進一步還會發展成為無基板式。但業界對無基板的大功率模塊普遍存有保留看法，因為電源會產生局部熱點無法擴散，降低風冷的效果。
電源模塊正朝著表面貼裝的封裝方式發展，以便實現單一焊接流程的全自動化生產。另外，表面貼裝的電源容許更窄的系統板間距，以及電路板雙面貼裝元器件，這都是提高系統整體性能的重要手段。目前，真正元器件級的表貼電源模塊產品已經可提供高達8A的輸出電流，而更大輸出電流的產品也很快會面世。
電路及應用層面
輸入端隨著單板功耗的增加，電源的輸入電流以及需要外加的輸入電容量也同時增加，這導致單板在帶電插拔時出現大的浪涌電流(100A以上)，引起信號完整性及接插件引腳的可靠性及壽命問題。因此，限制浪涌電流是必需的，而實現方法可以從使用最精密的熱插拔控制電路到最簡單的一個串聯電阻。 輸出端要滿足處理器工作電壓準確度的嚴格要求，特別是在大幅度及高速的動態負載變化的時候，電源輸出需要加上大量的低等效串聯電阻(ESR)電容，電源因此需要能在大容性負載及低阻抗的情況下正常工作而不出現振蕩或起動問題。要緩和此問題可采用主動電壓定位法，在電源輸出引線中加入少量電阻以增大靜態負載調整率，可以大幅地降低對外加電容量的要求而達到同樣的負感電流瞬態響應，減輕對電源的容性負載要求。 多個電源在并聯工作時要達到輸出均流有多種方法，無源方法可以利用輸出電阻加上遠端檢測補償，有源方法是用均流集成電路加上電流檢測電阻實現均流。部分電源也提供均流控制引腳，這可以達到最好的均流效果。
共通問題
在通信系統應用中，工作溫度及風冷條件往往決定某一種電源或是某一種供電結構可否使用。系統的機械結構方式已經決定了板間距，散熱器的最大高度，以及最高風冷速度，加上系統的最高工作溫度要求，電源容許的最高功耗事實上早已決定。使用最高效率的電源往往是滿足多種系統要求的唯一解決辦法。
系統層面
在通信系統中，電源模塊加上散熱器，通常是板上尺寸最高的元件。所以系統的板間距會決定哪一種電源可以使用以及它怎樣使用。如表1所示，在25mm的板間距里，可以使用半磚式電源加上薄形散熱器(6mm)，在20mm的板間距里，可以使用半磚式電源但不能使用散熱器；而在最陜窄的15mm的板間距里，只有8.5mm高的超薄電源模塊可以使用。
超薄的電源模塊讓系統可以使用更窄的板間距，使系統的板密度大幅度增加。實踐表明使用15mm板間距系統的板密度比使用25mm板間距系統高出75%。
另外一個可以提升系統功能而不用更改系統板間距的方法，是同時使用電路板的前后面來貼裝元件。從表1及圖1(b)中可看到8.5mm的表貼封裝電源模塊可以在25mm的板間距里作雙面貼裝。
在系統里使用高速處理器(如網絡處理器及DSP)和FPGA等器件需要不同的工作電壓給內核邏輯及接口邏輯供電，另外還有上電時序及壓差的要求，這種多工作電壓的要求可以用多組輸出電源模塊或單組輸出電源模塊加上電壓調整模塊(VRM)來實現。兩者的取舍取決于總體功率要求，不同電壓的功率比例，多少種不同的工作電壓，單板上的可用面積、上電時序及壓差的要求，以及供電結構對系統可靠性的考慮。
系統板間距與每層機架的電路板數量有關：(a)板間距25mm時每層有16塊板，(b)板間距20mm時每層有20塊板，(c)板間距15mm時每層有20塊板。
企業管理層面
由于電源模塊的性能及使用情況直接影響系統總體性能，包括可用性、穩定性、可靠性、售后服務、現場維護，更重要的是它會影響客戶的滿意度及公司的聲譽，其影響范圍及重要性遠高于一般即插即用元件。因此，電信設備制造商在企業內成立一個電源應用技術專家組的做法實為明智之舉。電源應用技術專家組是企業里的一個基本技術單位，任務是處理企業里從系統、應用到元器件層面各方面的電源問題。■
摘自《電子產品世界》
