傳統的分布式電源架構采用多個(gè)隔離型DC-DC電源模塊將48V總線(xiàn)電壓轉換到系統電源電壓，如5V、3.3V和2.5V。然而該配置很難滿(mǎn)足快速響應的低壓處理器、DSP、ASIC以及DDR存儲器的負載要求。這類(lèi)器件對電源提出了更加嚴格的要求：非�？斓乃矐B(tài)響應、高效率、低電壓以及緊湊的電路板尺寸。
引言
通過(guò)使用單個(gè)大功率、隔離型DC-DC模塊將48V電壓轉換成一個(gè)中等電源，如12V或更低電壓，可以獲得較好的系統性能。將這一中等電壓再轉換到系統負載所要求的具體電壓。這樣的電壓轉換可以通過(guò)非隔離、負載點(diǎn)電源實(shí)現，如圖1右側框圖所示。對于第二級電源轉換，集成開(kāi)關(guān)穩壓器是非常理想的選擇，因為輸入電壓(≤ 12V)和輸出電流(< 10A)相對較低。
圖1. 與電信單板上傳統的分布電源架構(左邊)相比，集成開(kāi)關(guān)調節器(右邊)具有更高效率和可靠性，能夠加快設計進(jìn)程、縮小電路板面積。
采用集成開(kāi)關(guān)調節器的優(yōu)勢
電子行業(yè)的很多領(lǐng)域，包括電源電子行業(yè)，其共同目標是集成系統元件，以降低總體成本、提高可靠性，并且盡可能縮小PCB面積。在過(guò)去的二十年，電源管理IC制造商開(kāi)展了大量工作，在芯片內部集成眾多功能，以滿(mǎn)足隔離、非隔離型DC-DC轉換應用的需求。
集成開(kāi)關(guān)電源在一個(gè)封裝中集成了MOSFET、柵極驅動(dòng)器以及用于DC-DC開(kāi)關(guān)轉換的PWM控制器，這已不再是新的概念。當前所面臨的問(wèn)題是如何提高這些器件的輸出電流能力以及增強此類(lèi)器件的功能。它們非常適合現代通信單板中分布式電源所要求的緊湊、多通道負載點(diǎn)電源，能夠對動(dòng)態(tài)負載提供卓越的瞬態(tài)響應。
為通信系統板設計、開(kāi)發(fā)、測試電源會(huì )占用單板開(kāi)發(fā)過(guò)程相當多的時(shí)間。除PCB布局所花費的時(shí)間外，電源開(kāi)發(fā)中一個(gè)主要問(wèn)題是解決布局相關(guān)的問(wèn)題，這些問(wèn)題包括：不合理的功率級布局、不恰當接地、將敏感的模擬走線(xiàn)布在電流和電壓快速變化的電源線(xiàn)附近、沒(méi)有為電壓和電流檢測提供開(kāi)爾文連接、EMI超標、去耦電容的位置不正確等。當電源采用多個(gè)外圍分立元件時(shí)，這些問(wèn)題中極有可能產(chǎn)生布板錯誤。
相反，集成開(kāi)關(guān)調節器將功率級(MOSFET和柵極驅動(dòng)器)和電流檢測功能集成到了器件內部，從而消除了與PCB相關(guān)的諸多問(wèn)題，進(jìn)而避免了大部分布板問(wèn)題。不僅如此，集成開(kāi)關(guān)調節器的引腳配置在設計中也有意避開(kāi)了元件布局和接地問(wèn)題。集成開(kāi)關(guān)調節器通常提供結構緊湊、經(jīng)過(guò)優(yōu)化與驗證的PCB布局，有助于縮短開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市。
由于現代電信系統環(huán)境需要高性能、小尺寸設計，PCB空間變得更加緊張。將功率級和PWM控制器集成到芯片內部能夠有效節省空間；集成開(kāi)關(guān)調節器能夠工作在較高的工作頻率，允許使用小尺寸的輸入/輸出電容、電感及其它濾波電容，與分立方案相比，進(jìn)一步節省了電路板空間。較高的工作頻率還能夠設計較寬的控制環(huán)路帶寬，支持快速負載瞬態(tài)響應。
電源轉換效率是衡量電源性能的重要指標，這也是用開(kāi)關(guān)電源替代線(xiàn)性穩壓器的主要原因。當然，開(kāi)關(guān)轉換器會(huì )引入較高的噪聲和EMI。開(kāi)關(guān)電源的功耗包括：傳導損耗(與MOSFET導通電阻RDS(ON)有關(guān))和開(kāi)關(guān)損耗(與MOSFET在通、斷狀態(tài)之間的轉換速度有關(guān))。工作頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占主導地位，因為每秒鐘發(fā)生多次的MOSFET開(kāi)、關(guān)轉換。轉換時(shí)間取決于柵極驅動(dòng)電路的阻抗，該電路控制MOSFET的開(kāi)啟、關(guān)閉。對于采用分立MOSFET和柵極驅動(dòng)器的電源來(lái)說(shuō)，由于具有MOSFET引腳電感和引線(xiàn)電感等寄生參數，因此高頻時(shí)柵極驅動(dòng)阻抗較大。集成開(kāi)關(guān)調節器通過(guò)將柵極驅動(dòng)器和MOSFET集成在單個(gè)封裝內，降低了寄生元件，從而在高頻時(shí)提供更快的轉換時(shí)間和更好的效率。
熱管理是大型系統中電源設計的重要指標。在負載點(diǎn)架構中，電源轉換所產(chǎn)生的熱量分布在各個(gè)集成開(kāi)關(guān)調節器內，而非集中在一個(gè)電源模塊。集成開(kāi)關(guān)調節器效率越高，所產(chǎn)生的熱量越少。除此之外，集成開(kāi)關(guān)調節器通常采用增強散熱封裝，將裸焊盤(pán)直接焊接在PCB上，并通過(guò)散熱過(guò)孔(直徑8mil至12mil)將熱量傳導至地平面(地平面將熱量擴散到整個(gè)單板，從而不需要使用龐大的散熱器)。最后，熱關(guān)斷電路直接控制集成開(kāi)關(guān)電源，能夠在發(fā)生過(guò)熱時(shí)提供有效保護，避免器件損壞，從而提高系統的可靠性。
集成開(kāi)關(guān)調節器提供多種封裝以及較寬的輸入電壓(3V至12V)范圍和輸出電流(< 1A至10A)范圍。低功率器件的封裝有：SOT、MSOP以及TSSOP。大功率器件采用QFN、BGA等封裝形式，能夠耗散較大功率。
結論
集成開(kāi)關(guān)調節器是現代電信系統中等電源總線(xiàn)的理想選擇。與基于分立MOSFET、柵極驅動(dòng)器和控制器的調節器相比，集成方案可以大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、節省空間、提高效率、簡(jiǎn)化系統熱管理，并具有更高的可靠性。
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