通信系统的供电问题、解决方案及发展方向

xiaozuncai

马国伟
爱立信亚太区电源模块部
高级产品经理
    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，但现在则更受半导体技术发展带来的新负载要求所影响。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新的要求。
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：低于目前的1.0V；
    ·负载电流更高：高达50A至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2.5V及1.5V也有用到；
    ·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/n；
    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。
    1.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RDS(ON) 的功率MOSFET的同步整流技术现已广泛应用于电源模块，令电源能在低电压输出时仍保持高效率(90%@3.3V)。使用同步整流的电源模块通常会有负载调节率很低及电流可倒灌的输出特性。对单板应用来说这并不是问题，但在电源板并联工作时这些特性都是缺点。此外，在备份工作时所必须加上的或门(OR-ing)萧特基二极管，在低工作电压时造成极大的压降及功率损耗。 使用功率 MOSFET作"有源或门二极管"以取代萧特基二极管是解决此问题的一个有效方法。
    ·半砖式封装是目前30A输出电源模块中最流行的，被视为工业标准。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的四分之一砖式模块及输出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没法同时增加效率，结果电源功率损耗密度和温升同步上升。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60A，但这已经超出半砖封装所能承受的输出电流极限。其结果是，即便有强制风冷，引脚温度上升也超过85°C，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40A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的方式朝着开放式的方向发展，进一步还会发展成为无基板式。但业界对无基板式的大功率模块普遍存有保留，因为电源会因此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，以便实现全自动化生产以及单一焊接流程。另外，表贴封装的电源容许更窄的系统板间距，以及电路板双面贴装元件，这都是提高系统整体性能的重要手段。目前，真正元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快会面世。







    2. 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，限制浪涌电流是必须的，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输入电阻。
    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阻抗(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。要缓和此问题可参照"动态电压定位"的方法，在电源输出引线中加入少量电阻以增大负载调整率，可以大幅地降低对外加电容量的要求而达到同样的动态电压变化范围，减轻对电源的容性负载要求。
    输出端
    要多个电源在并联工作时达到输出均流有多种方法，简单的可以利用电路板上的引线电阻加上电源遥测补偿功能来控制负载调节率实现均流，较精确的方法是用均流控制电路。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，电源容许的最高功率损耗事实上已经早已决定。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。
    3. 系统层面
    在通信系统中，电源模块通常是板上最高的元件。所以系统的板间距会决定那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；而在最狭窄的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，让系统的功能板密度能大幅提升。图1可以看到使用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。在表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，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降压模块(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。







    4. 企业管理层面
    由于电源模块的性能及使用情况直接影响着的系统总体性能、稳定性及可靠性、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的即插即用元件。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，任务是处理企业里各方面的电源问题，从系统、应用到元器件层次。在系统方面，专家组的任务应包括比较及选择最合适的供电结构、系统的机械结构方式及生产技术。在应用方面，贵电气、机械及散热设计。在元器件级，专家组负责电源产品的比较和选择、以及电源模块的整体质量管理，其中包括企业内部的电源故障跟踪及与供应产合作进行故障分析。