应用于通信系统的分布式电源设计要求
3 通信系统中分布式供电设计要求
在高端电信和网络设备中，分布式电源已成为主流应用方式。通常背板母线电压为24V或者48V，每块插板用一个或多个DC/DC电源模块将母线电压转换为板内系统所需电压，同时采用非隔离型负载点转换器得到高功率低电压电源。采用分布式电源供电时，最关键的问题是对每块线路板所采用的DC/DC电源模块的考虑。一般要求具有低内阻、低纹波、高效率、软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔、提供冗余备份、宽的温度范围等，更严格的还会要求上/下电顺序控制、在线数据监测等等。
3.1 低内阻、低纹波的要求
系统电路中使用元件的运行速度越来越高，对供电方式也提出了更高要求。例如高速微处理器，当由休眠状态转入正常工作状态时，其负载电流的变化速度可高达1000A/μs，这样高速的电流变化要求DC/DC电源要放置于最接近元件的位置上，缩短电源到负载的距离，以减小配电线路的寄生电感在负载电流高速变化时所导致的电压波动，这就要求选择低内阻的DC/DC电源模块和设计低阻抗的供电线路。有时甚至很难选择到拥有如此优良动态特性的电源模块，而需要在负载点周围采用多相驱动的方式，由数个相互关联的电源一起承担起芯片所需的电流。另外由于芯片供电电压的降低，要求开关电源模块的纹波噪声相应的下降，这对高频开关电源来说也是一大难题。相对而言，低纹波的电源模块还是有相当厂商能提供，例如VICOR、TYCO ELECTRONICS等知名模块电源厂商均有种类繁多的品种。
3.2 高效率的要求
随着集成电路工艺的发展，MOSEFET的工作频率越来越高，通态电阻越来越小，而软开关控制技术的发展，同步整流技术的应用使得开关电源的损耗越来越少，效率越来越高。高效意味着电源产生的热量少，可靠性更高。目前国外最新型模块电源的效率已经达到90%以上甚至更高，设计者应该优先选择高效率的模块电源。
3.3 软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔
这几种要求对于现代通信系统的安全、稳定、可靠地工作非常重要，但往往容易被忽视。芯片的供电电压越低，它所能承受的电压范围也越窄，一旦电源在开关机过程中产生过冲电压，便极易被烧毁。电源的软启动和防浪涌、防开关机过冲是紧密联系之一起的，具备了软启动功能，便能减少开机的冲击电流，容易实现防输出过冲，但是在外围的输入输出电路中仍然要加上TVS管来吸收浪涌电压。支持热插拔是通信系统易维护性的要求。这一要求的关键在于开关电源的热插拔，目前有不少专用于热插拔监控的集成芯片，只需要添加少量的外围电路便可使得电路板具备热插拔的功能。比如通过电路板的助拔器的运动带动传感器检测出电路板下一步的动作，提前关闭或延迟启动电源模块，使得电路板实际上处于断电状态下进行插拔。
3.4 提供冗余备份
这种要求纯属为提高系统可靠性而采取的冗余设计，许多电源的设计者不太重视冗余备份。这种冗余备份可以通过系统设计时电路板的备份来实现，从电路板的整体MTBF来看，单纯的在单块电路板上设计冗余电源的意义不大。
3.5 宽的温度范围
由于通信系统在户外应用的情况增多，因此要求电源的温度范围要宽，以应付在户外应用时由严寒至酷热的不同环境温度。一般的DC/DC电源模块的工作温度范围只是在0℃～+70℃，而户外应用的工作环境温度要求-40℃～+ 85℃，因此这类电源不适合在没有空调设备的户外应用。设计者应根据通信系统应用环境的温度变化范围选择适合的电源模块。
3.6 上/下电顺序控制
随着现代通信系统的复杂程度增加，各类数字集成电路被应用到一块电路板上，为了系统运行的稳定性，协调控制不同供电电压集成芯片的启动与关断，电路板往往要设计有上/下电顺序控制。TI公司就有针对这一领域的应用而开发出专门用于线路板上电顺序控制的芯片，同时提供了具有Auto-Track排序功能的PTH系列负载点（POL）插入式电源模块，可以让设计者非常容易地实现多模块电源的上电或断电顺序控制。
3.7 在线数据监测
为提高通信系统整体运行的稳定性和可靠性，往往要求对所有运行中的电路板实行在线数据监控，通过I2C总线或RS-485串行通信线汇集到监控模块中去，电源的电压值必须在受监测的范围内。
3.8 整机系统的散热
在整个通信系统功率较大的情况下，必须要考虑强迫风冷，一般采用转速达到要求的风扇，形成从下至上的空气流，将电路板散发出来的热量带走。系统机柜结构应考虑合理的风道，使得这个机柜的热量均匀散发，避免热量集中的地区空气滞留。另一个容易忽视的方面是对风扇要考虑监测故障告警信号和转速动态调整。
4 结束语
针对应用于通信设备的分布式电源，本文从应用的角度提出了设计上要注意的几个方面，希望能对从事通信设备供电设计的工程师们起到一点借鉴作用。
参考文献
[1] 张天宇. 分布式电源--通信系统供电的必然趋势. 通信世界报. 2003,11,19。
[2] 勾淑婉. 台联电欲开创崭新的晶圆代工营运模式. 电子工程专辑. 2003,3,16~31。
在高端电信和网络设备中，分布式电源已成为主流应用方式。通常背板母线电压为24V或者48V，每块插板用一个或多个DC/DC电源模块将母线电压转换为板内系统所需电压，同时采用非隔离型负载点转换器得到高功率低电压电源。采用分布式电源供电时，最关键的问题是对每块线路板所采用的DC/DC电源模块的考虑。一般要求具有低内阻、低纹波、高效率、软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔、提供冗余备份、宽的温度范围等，更严格的还会要求上/下电顺序控制、在线数据监测等等。
3.1 低内阻、低纹波的要求
系统电路中使用元件的运行速度越来越高，对供电方式也提出了更高要求。例如高速微处理器，当由休眠状态转入正常工作状态时，其负载电流的变化速度可高达1000A/μs，这样高速的电流变化要求DC/DC电源要放置于最接近元件的位置上，缩短电源到负载的距离，以减小配电线路的寄生电感在负载电流高速变化时所导致的电压波动，这就要求选择低内阻的DC/DC电源模块和设计低阻抗的供电线路。有时甚至很难选择到拥有如此优良动态特性的电源模块，而需要在负载点周围采用多相驱动的方式，由数个相互关联的电源一起承担起芯片所需的电流。另外由于芯片供电电压的降低，要求开关电源模块的纹波噪声相应的下降，这对高频开关电源来说也是一大难题。相对而言，低纹波的电源模块还是有相当厂商能提供，例如VICOR、TYCO ELECTRONICS等知名模块电源厂商均有种类繁多的品种。
3.2 高效率的要求
随着集成电路工艺的发展，MOSEFET的工作频率越来越高，通态电阻越来越小，而软开关控制技术的发展，同步整流技术的应用使得开关电源的损耗越来越少，效率越来越高。高效意味着电源产生的热量少，可靠性更高。目前国外最新型模块电源的效率已经达到90%以上甚至更高，设计者应该优先选择高效率的模块电源。
3.3 软启动、防浪涌、防开关机过冲、支持热插拔
这几种要求对于现代通信系统的安全、稳定、可靠地工作非常重要，但往往容易被忽视。芯片的供电电压越低，它所能承受的电压范围也越窄，一旦电源在开关机过程中产生过冲电压，便极易被烧毁。电源的软启动和防浪涌、防开关机过冲是紧密联系之一起的，具备了软启动功能，便能减少开机的冲击电流，容易实现防输出过冲，但是在外围的输入输出电路中仍然要加上TVS管来吸收浪涌电压。支持热插拔是通信系统易维护性的要求。这一要求的关键在于开关电源的热插拔，目前有不少专用于热插拔监控的集成芯片，只需要添加少量的外围电路便可使得电路板具备热插拔的功能。比如通过电路板的助拔器的运动带动传感器检测出电路板下一步的动作，提前关闭或延迟启动电源模块，使得电路板实际上处于断电状态下进行插拔。
3.4 提供冗余备份
这种要求纯属为提高系统可靠性而采取的冗余设计，许多电源的设计者不太重视冗余备份。这种冗余备份可以通过系统设计时电路板的备份来实现，从电路板的整体MTBF来看，单纯的在单块电路板上设计冗余电源的意义不大。
3.5 宽的温度范围
由于通信系统在户外应用的情况增多，因此要求电源的温度范围要宽，以应付在户外应用时由严寒至酷热的不同环境温度。一般的DC/DC电源模块的工作温度范围只是在0℃～+70℃，而户外应用的工作环境温度要求-40℃～+ 85℃，因此这类电源不适合在没有空调设备的户外应用。设计者应根据通信系统应用环境的温度变化范围选择适合的电源模块。
3.6 上/下电顺序控制
随着现代通信系统的复杂程度增加，各类数字集成电路被应用到一块电路板上，为了系统运行的稳定性，协调控制不同供电电压集成芯片的启动与关断，电路板往往要设计有上/下电顺序控制。TI公司就有针对这一领域的应用而开发出专门用于线路板上电顺序控制的芯片，同时提供了具有Auto-Track排序功能的PTH系列负载点（POL）插入式电源模块，可以让设计者非常容易地实现多模块电源的上电或断电顺序控制。
3.7 在线数据监测
为提高通信系统整体运行的稳定性和可靠性，往往要求对所有运行中的电路板实行在线数据监控，通过I2C总线或RS-485串行通信线汇集到监控模块中去，电源的电压值必须在受监测的范围内。
3.8 整机系统的散热
在整个通信系统功率较大的情况下，必须要考虑强迫风冷，一般采用转速达到要求的风扇，形成从下至上的空气流，将电路板散发出来的热量带走。系统机柜结构应考虑合理的风道，使得这个机柜的热量均匀散发，避免热量集中的地区空气滞留。另一个容易忽视的方面是对风扇要考虑监测故障告警信号和转速动态调整。
4 结束语
针对应用于通信设备的分布式电源，本文从应用的角度提出了设计上要注意的几个方面，希望能对从事通信设备供电设计的工程师们起到一点借鉴作用。
参考文献
[1] 张天宇. 分布式电源--通信系统供电的必然趋势. 通信世界报. 2003,11,19。
[2] 勾淑婉. 台联电欲开创崭新的晶圆代工营运模式. 电子工程专辑. 2003,3,16~31。
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