通信電源模塊的同步整流設計

王 芳

（永城職業(yè)學院 電子信息工程系，河南 永城 476600）

0 引 言

當前網(wǎng)絡技術的普及和4G、5G的廣泛應用，使得通信向著更加便捷、高速以及多元化的方向發(fā)展，各種不同類型的移動數(shù)據(jù)終端都能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸和接收[1]。隨著通信量的增加，移動數(shù)據(jù)終端的通信設備工作量也隨之不斷增加，這就要求通信設備不僅要具備更加強大的數(shù)據(jù)處理功能，而且還要確保通信電源模塊具有穩(wěn)定的輸出電壓，只有這樣才能保證設備的穩(wěn)定運行[2]。基于此，引進同步整流技術來穩(wěn)定通信電源模塊的輸出電壓。

1 通信電源模塊設計

1.1 通信電源工作頻率分析

為了確保通信電源的可持續(xù)供電，在通信電源模塊設計過程中應該先確定通信電源工作頻率[3]。若縮小通信電源體積，則電源開關部位的能耗會隨之增大，嚴重影響了通信電源模塊的工作性能。以PLOSS表示通信電源能耗，f表示通信電源工作頻率，兩者的關系可以表示為：

根據(jù)式（1），通信電源損耗為電源開關運行頻率的1.2次方。為了顯著提高通信電源設備的工作頻率，需對通信電源工作頻率范圍進行規(guī)劃，科學設定模塊中各元器件的參數(shù)。常規(guī)通信電源的額定工作電壓為220 V，可直接選擇電源中的內(nèi)勢轉(zhuǎn)動頻率作為電源頻率的控制范圍[4]。此外，也需要考慮電阻與模塊工作頻率的關系。用Rf表示模塊反饋電阻，則模塊反饋電阻與通信電源能耗之間的關系為：

1.2 參數(shù)設定及選型

首先，設定通信電源模塊中的電壓反饋電阻。結(jié)合平均電流經(jīng)過反饋電阻時的實際需要，在通信電源模塊的FB端需要形成壓降形式的電壓變化，電路應當由輕載狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈M載狀態(tài)，并完成對電壓的下沖[5]。反饋電阻計算公式為：

式中，Rf表示反饋電阻；V表示通信電源模塊的理想輸出電壓；50是通信電源模塊滿載時的輸出電流，單位為μA。選擇VIKI545-5260型號反饋電阻作為通信電源模塊的反饋電阻元器件，該型號反饋電阻的溫度系數(shù)為PTC，額定功率2 W，外觀為平面片狀結(jié)構(gòu)，更有利于提高輸出電壓的穩(wěn)定性[6]。

其次，設定通信電源模塊中的電流采樣電阻。通信電源模塊在滿載狀態(tài)運行過程中，其最大的采樣電流為50 μA，為保證通信電源模塊穩(wěn)定運行，應確保每路輸出電感電流的平均值為15 A。選擇WSL1206R0500FEA型號電阻作為電流采樣電阻，該采樣電阻溫度系數(shù)為±65 （ppm/℃），工作溫度為-55～125 ℃。

最后，選擇合適的功率電感。通信電源模塊設計中應嚴格控制濾波電感，選用新型螺旋封裝的貼片功率電感，如圖1所示。

圖1 新型螺旋封裝貼片功率電感結(jié)構(gòu)

螺旋封裝貼片功率電感更有利于平衡直流電阻與交流電阻，其優(yōu)勢主要有以下5點。一是加大電流密度，可將電感導線看作平面導體，受電流影響較小，由此可有效加大電流密度；二是效率較高，一般在95%以上；三是螺旋封裝功率電感具有較好的熱傳導性，其熱通道距離較短，因而溫升較低；四是體積小，該結(jié)構(gòu)可以減小電感高度；五是工作頻率范圍廣，溫度范圍大[7-9]。根據(jù)上述操作，完成通信電源模塊中關鍵元器件參數(shù)設定及選型。

1.3 通信電源電路結(jié)構(gòu)設計

經(jīng)過上述參數(shù)設定，開始進行通信電路結(jié)構(gòu)設計。為實現(xiàn)本文通信電源的廣泛應用，以HIP25840-89型號主控芯片作為通信電源模塊的核心元件，用于實現(xiàn)對通信電源模塊四相交錯并聯(lián)同步整流變換裝置的驅(qū)動，如圖2所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)設計

由圖2可以看出，該電路整體結(jié)構(gòu)中HIP25840-89型號主控芯片產(chǎn)生的多路相位彼此之間的PWM脈沖超過90°，在PWM脈沖的兩端與驅(qū)動裝置進行相互連接，每個驅(qū)動裝置之間都會產(chǎn)生兩組不同形式的互補波形，以此實現(xiàn)PWM脈沖與HIP25840-89型號主控芯片相互連接的四路同步整流電路。在整個電路結(jié)構(gòu)當中，四路同步整流電路中每組變換裝置的下端均連接著MOSFET管，并且均是通過反向并聯(lián)的方式連接[10]。其中兩組同步整流電路變換裝置下端MOSFET管又構(gòu)成了通信電源模塊的供電電路，為其日常運行提供5 V和12 V的電源電壓。為了簡化通信電源模塊，采用5個模擬開關與1個分壓電阻組成的電路作為主要的供電電路，向四路電路傳輸工作電壓。最終完成對通信電源電路同步整流的設計，該電路的輸入電壓為直流12 V，輸出電壓為直流2.5 V，額定輸出電流為335 A，工作頻率為125 kHz，紋波電壓大小為32 mV。

2 對比實驗

利用BSpice軟件，以某常見通信設備為實驗對象，根據(jù)其日常通信工作原理將兩臺通信設備分別與本文模塊和傳統(tǒng)通信電源模塊連接，通過分析通信設備的運行情況驗證兩種通信電源模塊的實際應用性能。按照兩種通信電源模塊的設計思路，完成原始電路的搭建，并將其與硬件電路相互連接，通過調(diào)試后，可對兩組通信電源模塊進行合理優(yōu)化。分別對連接通信設備的兩種不同通信電源模塊提出輸入電流為25 A、20 A、15 A、10 A、5 A以及0 A的要求，記錄兩種通信電源模塊的輸出電壓，驗證兩種通信電源模塊的實際應用效果。記錄的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種通信電源模塊實驗結(jié)果對比表

由表1可知，本文設計的通信電源模塊在工作效率和輸出電壓方面都優(yōu)于傳統(tǒng)通信電源模塊。通過對比實驗進一步證明本文提出的基于同步整流技術的通信電源模塊在實際應用中可以顯著提高工作效率，具有更好的應用效果和應用性能。

3 結(jié) 論

通過通信電源模塊的同步整流設計研究，提出一種全新的通信電源模塊，將該模塊應用于實際的通信設備能夠為通信設備的日常運行提供更加充足的電源條件，并實現(xiàn)對多個通信設備在連接時的同步整流。該通信電源模塊的設計思路同樣也適用于其他相同功能的電源模塊設計，為同步整流技術的廣泛應用提供創(chuàng)新思路。