通信電源模塊的同步整流設(shè)計

王 芳

（永城職業(yè)學(xué)院 電子信息工程系，河南 永城 476600）

0 引 言

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和4G、5G的廣泛應(yīng)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(shè)備工作量也隨之不斷增加，這就要求通信設(shè)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(shè)備的穩(wěn)定運行[2]。基于此，引進同步整流技術(shù)來穩(wěn)定通信電源模塊的輸出電壓。

1 通信電源模塊設(shè)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(shè)計過程中應(yīng)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(guān)部位的能耗會隨之增大，嚴(yán)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(guān)系可以表示為：

根據(jù)式（1），通信電源損耗為電源開關(guān)運行頻率的1.2次方。為了顯著提高通信電源設(shè)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(xué)設(shè)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(guān)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(guān)系為：

1.2 參數(shù)設(shè)定及選型

首先，設(shè)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(yīng)當(dāng)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(shè)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(yīng)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(shè)計中應(yīng)嚴(yán)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(dǎo)線看作平面導(dǎo)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(dǎo)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(guān)鍵元器件參數(shù)設(shè)定及選型。

1.3 通信電源電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過上述參數(shù)設(shè)定，開始進行通信電路結(jié)構(gòu)設(shè)計。為實現(xiàn)本文通信電源的廣泛應(yīng)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(shè)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(dāng)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(guān)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(shè)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(shè)備為實驗對象，根據(jù)其日常通信工作原理將兩臺通信設(shè)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(shè)備的運行情況驗證兩種通信電源模塊的實際應(yīng)用性能。按照兩種通信電源模塊的設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shù)的通信電源模塊在實際應(yīng)用中可以顯著提高工作效率，具有更好的應(yīng)用效果和應(yīng)用性能。

3 結(jié) 論

通過通信電源模塊的同步整流設(shè)計研究，提出一種全新的通信電源模塊，將該模塊應(yīng)用于實際的通信設(shè)備能夠為通信設(shè)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(shè)備在連接時的同步整流。該通信電源模塊的設(shè)計思路同樣也適用于其他相同功能的電源模塊設(shè)計，為同步整流技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供創(chuàng)新思路。