通信电源系统的 直流-直流拓扑结构
PCIM China 2004
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通信电源系统的直流-直流拓扑结构
Donald Ashley
电源管理产品业务部 策略市场营销经理
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演示概述
• 演示三种通信电源的应用: – 中间总线体系结构（串联转换器） – 单路输出 VoIP 电源（推挽转换器） – 多路输出 xDSL 电源（推挽，降压调节）
AC / DC
BATTERY
48V
Vcc Vin
LM5030
PUSH
PULL
3.3V 2.5V
负载点调节器
12V
BUCK V1 (3.3V)
BUCK V2 (2.5V)
BUCK V3 (1.8V)
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多路输出DSL转换器
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电流馈电推挽转换器
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电流馈电推挽拓扑结构
33 - 76V
Vcc
Vin
HD
LD
LM5041
PUSH
降压级
Vcc HB
HI
HO
HS
LI
LO
LM5101
Vss
推挽级
BUCK OUT CAP REMOVED
PULL FB
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摘要
• 在这里演示了三种通信电源应用:
中间总线架构（串联转换器） 单路输出 VoIP 电源（推挽转换器） 多路输出 xDSL 电源（推挽，继之降压调节器）
讨论了电源拓扑结构选择标准，提供了实现设计规格的建议，并 讨论了每个应用的成本、性能和大小。
LM5030 是电流模式 PWM 控制器（小 MSOP10）。高度集成，包括启动调节器（操作范 围是 5-100V）、可编程的开关频率为 100kHz 至 1MHz、软启动/启用输入、误差放大 器、热保护、双模过流保护以及两个 1.2A 峰值 MOSFET 门驱动器。
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VoIP 转换器拓扑结构比较
回转
正向
半桥-
全桥- 推挽
输入脉动
电流
高
输出脉动 高 电流
高
中等
> Mod Mod
低
低
低
低
FET 应力
高-端 驱动器
> Vin 否
> Vin 否
= Vin 是
= Vin 是
= 2Vin 否
推挽在 VoIP 转换器应用中具有以下优点：
• 简单的低成本、低端功率 MOSFET 门驱动 • 低输出脉动电流（更低成本的 50V 输出电容器） • 中等峰值初级端电流（交错型推挽晶体管）
• 电源技术选择标准： – 检查输入电压范围、输出数、调节要求、成本 目标以及每个应用的性能和大小。
• 美国国家半导体公司新近推出的电源 IC 用于促进 和简化这些电源的设计。
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通信电源系统发展趋势
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通信电源系统发展趋势
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整流损耗的重要性
Control 10%
Transformer 20%
Secondary Rectifiers
40%
Filter Inductor 15%
Primary Switching
15%
典型 3.3V 输出、35 – 80V 输入的估计
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LM5041 框图
Vin UVLO
ENABLE
2.5V
9V REG
45uA 0
COMP
0.75V
FB
SS
SLOPECOMP
5V
RAMP
GENERATOR
UVLO HYSTERESIS
(20uA)
5K 100K
PW M
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串联转换器
DSLAM 多路输出转换器 与电流馈电推挽转换器
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串联功率级
AC / DC
BATTERY
48V
Vcc
Vin
HD
LD
LM5041
PUSH
VDD HB
HI
HO
HS
LI
LO
LM5101
Vss
PULL
电流馈电推挽 与 推挽馈电 POL
+5.0V +3.3V
中间总线转换器
Sequencing
LM5642 dual synchronous buck controller
+1.8V +1.5V
50W (6) 输出电源：LM5030 PWM 在 1A 时隔离并将 – 48Vin 转换为 +/-12V，(2) LM5642 双路降压转换器关闭 +12V 提供 +3.3V @ 2.6A、5V @ 1.2、1.8V @ 1A 和 1.5V @ 7.7A。
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整流器应力比较
拓扑结构 正向 推挽 串联 PP
整流器电压应力 Vin×（Ns/Np） Vin x (Ns/Np) x 2 Vout×2
拓扑结构 正向 推挽 串联 PP
整流器电流比 Iout x D 和 Iout x (1-D) 0.5 x Iout 0.5 x Iout
CF推挽效率的优点
• 推挽晶体管损耗较低：
– 横跨开关的重叠的推挽开关操作电压仅为 50% 的时间
– 线路电压的降压级预调节可以使用较低的 RDS(on) 晶体管
• 同步整流器损耗较低 – 匹配的 50% 工作循环操作
– 断路状态电压应力限制为 Vout * 2 – 可以使用较低的 RDS(on) 整流器
示例：3.3V 输 出，35 -
80V 输入
示例：假定
20V

XFR 比为 4:1 的高压线路
26.7V
XFR 比为 6:1 的高压线路
6.6V
XFR 比为 6:1 的所有线路状况
示例：3.3V 输 出，35 -
80V 输入
示例：假定
16 / 84%
高压线路比
50%
所有线路状况
50%
所有线路状况
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+50V
+
+
Vin 36-72V
InVruinsh C36o-n7tr2oVl
-
-
Under voltage lockout
LM5030 PWM Current Mode
Push-Pull Controller
Secondary control with
isolation
Overvoltage protection
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分布式电源发展趋势
• 分布式电源体系结构 (DPA) – 在负载附近以本地方式执行最终功率转换级。 – 使用负载点(POL)转换器逐步降低分布式总线 电压, 以便降低集成电路所需的电压。
• 优点： – 灵活的功率伸缩，更低的成本。 – 解决强电流分布问题。 – 更高的可靠性，减少噪声问题。 – 更快投入市场时间。
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xDSL转换器拓扑结构比较
输出电压 设置点
不带线- 性调节 带线性- 调节
器的多路输出 器的多路输出
回转
回转
推挽与同步降压调节
差
极好
极好
负载调节
差
极好
极好
交叉调节
差
极好
极好
效率
好
差
好
成本
低
中等
中等
带降压调节器的串联推挽具有以下优点： • 可以方便地保证对低电压输出进行紧密的线路与负载调节 • 每一级可以方便地实现超过 90% 的高效率 • 由于广泛采用同步降压控制器，具有中等的成本
输出电感器已删除 Vout
PUSH PULL
FEEDBACK
• 推挽输出持续操作，以稍稍的重叠进行交替。 • 输出电压由降压级控制，以 2X 的推挽频率工作。 • 推挽级的持续输出电流需要进行最低过滤。 • 由于具有较低的推挽开关损耗以及匹配的同步整流器负载，因此效率较高
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分布式总线转换器 VoIP 转换器
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- 48V 中间总线转换器
• 网络电话 (VoIP) 转换器 • 用于通信系统，将 – 48V 电压传送给 VoIP 数
字电话等外围设备。 • 特性：
– 单路输出高功率转换器 (250W-800W) – 将电压范围从典型的 36-72V 减小到 43V-
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DSLAM功率转换器