基于同步整流技術的通信電源優(yōu)化設計

陳玉波，陳興旺

（山東省郵電規(guī)劃設計院有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

當前網(wǎng)絡技術的成熟運用以及5G技術的提出和推廣，都使得通信模式逐漸從計算機與計算機之間，或與移動終端設備之間的單一傳輸，逐漸轉(zhuǎn)向高速多元化的傳輸模式。人們在日常生活和工作中使用的手機、個人計算機以及電視等都已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋ａ槍Ξ斍鞍l(fā)展趨勢，負責這一類終端設備通信的各類硬件設施工作量以及工作壓力逐漸增加，人們也對其運行提出了更高的要求。不僅需要其本身具備十分強大的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理能力，同時還需要實現(xiàn)更多的多媒體操作，各類通信設備及輔助硬件都需要集成CPU、內(nèi)存以及顯示屏等設備[1]。

由于各類通信設備在實際應用中，其自身的體積和使用環(huán)境都會在一定程度上受到限制，對其相配套的電源在外形以及運行功率上也都有著更加嚴苛的要求，在實際應用中需要更高的工作效率和更穩(wěn)定的運行條件[2]。因此，為了解決這一問題，相關領域研究人員逐漸將研究重點轉(zhuǎn)向?qū)Ω黝愅ㄐ旁O備具體單元的研發(fā)和創(chuàng)新上，并將生產(chǎn)具有高穩(wěn)定性的電源作為研究目標[3]。當前，隨著通信需求的多樣化，通信電源逐漸向著高頻、低壓以及大電流的方向發(fā)展，為了擴大通信電源的應用市場，在保證其對原生電網(wǎng)無諧波干擾的影響下，實現(xiàn)綠色通信電源設計，本文開展基于同步整流技術的通信電源優(yōu)化設計研究。

1 基于同步整流技術的通信電源優(yōu)化設計

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET來代替整流二極管，從而降低整流損耗的一種方法。這種方法可以有效提升DC/DC變換器的效率，還能夠避免由肖特基勢壘電壓而導致的死區(qū)電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系。用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能。

1.1 通信電源主要器件選擇

為實現(xiàn)對通信電源的優(yōu)化設計，首先針對其主要構成器件進行選擇，選擇原則是符合電源輸入輸出參數(shù)。由于構成器件選擇結果的好壞直接關系到電源的運行效率和穩(wěn)定性，因此需要對其相關參數(shù)進行嚴格計算。MOSET是電源當中常見的器件之一，根據(jù)本文通信電源需要，選擇8腳結構，以SO8格式封裝的MOSET[4]。由于MOSET的額定電流選取過大會造成電源開發(fā)成本增加，過小會造成發(fā)熱量過大燒毀電源的問題產(chǎn)生，因此在選擇MOSET時，還需要對其電流參數(shù)進行計算，其電流計算公式為：

式中，I為MOSET的電流參數(shù)，Iout為二極管輸出電流，k為選型余量。根據(jù)上述論述，完成對MOSET的選型后，還需要對功率電感進行選擇，為了避免通信電源在運行過程中出現(xiàn)漏感或發(fā)散磁場增強的問題，選用螺旋封裝式結構的功率電感器件[5]。在實際應用中，根據(jù)電源運行需要，通過調(diào)節(jié)電感形狀的方式，實現(xiàn)直流電阻與交流電阻之間的平衡，從而避免由于交流過大而對直流造成損耗的問題。在選擇電感時還應當選擇電流密度高、運行效率高以及熱傳導良好的電感，以此為通信電源運行提供條件。

1.2 基于同步整流技術的電源外圍電路優(yōu)化設計

完成對通信電源主要器件的選擇后，本文引入tongue整流技術，針對電源外圍電路進行優(yōu)化設計[6]。首先，針對電源開關頻率調(diào)節(jié)電路進行設計，該電路結構的電壓主要通過外界電阻的采樣數(shù)據(jù)進行計算，其計算公式為：

式中，URt為頻率調(diào)節(jié)電路引腳電壓，F(xiàn)sw為電源工作頻率。根據(jù)式（2）確定引腳電壓后，再結合同步整流技術，由采樣特征調(diào)整接入的電阻，并得到如圖1所示的頻率調(diào)節(jié)電路連接結構示意圖。

圖1 頻率調(diào)節(jié)電路連接結構

優(yōu)化設計通信電源的過流保護電路，根據(jù)同步整流原理，通信電源外界電阻必須滿足的公式為：

式中，R0為通信電源總電阻值，RL為外界電阻值，RDS為DS電阻值，U1為通信電源電壓，Us為LIM電壓。根據(jù)式（3）確定通信電源外界電阻，并在對過流保護電路設計時，確保其外界電阻符合約束條件，以此實現(xiàn)對過流保護電路的優(yōu)化設計。

1.3 通信電源總體PCB制作

在完成對通信電源頻率調(diào)節(jié)電路和過流保護電路的優(yōu)化設計后，對電源總體PCB進行制作。在制作前，首先需要明確電源總體PCB板電路層的分布結構，從上到下，其結構順序依次為功率器件、電源層、地層以及阻容器件[7]。根據(jù)上述結構順序，在走線時盡可能放粗，以此減小電源運行時的電壓[8]。由于上述所選的功率器件為高頻器件，因此在實際運行過程中功率器件產(chǎn)生的電感磁場干擾較大，在一定程度上影響了通信電源的運行穩(wěn)定[9]。針對這一問題，在進行PCB制作的過程中，只需要在電源層完成走線，除了對必要的散熱孔和連線孔進行設置外，盡可能確保地層結構的完整性，以此屏蔽掉更多功率器件產(chǎn)生的電磁干擾。在對電源控制電路和反饋電路進行制作時，應當將其與普通區(qū)域分開，電源結構中的實際走線應當先以集中的方式進行連接，后將其分配到各個電路中[10]。通過上述通信電源PCB制作流程，在保證通信電源運行穩(wěn)定性的基礎上實現(xiàn)優(yōu)化。

2 優(yōu)化前后應用效果對比

按照本文上述論述思路，在應用同步整流技術的基礎上，實現(xiàn)了對通信電源的優(yōu)化設計。為了驗證優(yōu)化后通信電源的實際應用和運行效果，選擇以BSPICE程序作為基礎，在該程序構建的實驗環(huán)境當中，通過對比優(yōu)化前后兩種通信電源的實際運行情況，實現(xiàn)對其優(yōu)化效果的驗證。利用BSPICE程序?qū)OSFET反向?qū)娐愤M行模擬，并將該模擬電路作為優(yōu)化前后兩種通信電源的運行環(huán)境。MOSFET反向?qū)娐愤B接示意如圖2所示。

圖2 MOSFET反向?qū)娐愤B接

在該電路通電過程中，采用5 V脈沖控制信號，為了確保實驗客觀性，優(yōu)化前后兩種通信電源引入該電路時，其脈沖上升時間和下降時間均設置為1 ns，脈沖的帶寬設置為2 μs，導通寬度設置為0.5 μs。已知，圖2中U2為直流電源。根據(jù)上述實驗準備，記錄優(yōu)化前后兩種通信電源的電壓輸出結果，并將相應時刻下的電壓變化數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 優(yōu)化前后通信電源電壓變化情況記錄表

結合表1中的數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前通信電源的電壓變化幅度較大，相鄰記錄時刻下其電壓差值超過了100 V，而優(yōu)化后通信電源電壓變化幅度較小，相鄰記錄時刻下電壓差值均為20 V。因此，通過上述優(yōu)化前后的通信電源應用效果對比可以看出，本文提出的優(yōu)化方法可以縮小電壓的變化幅度，實現(xiàn)對通信電源電壓的穩(wěn)定控制，為整個電路的運行提供安全保障。

3 結 論

通過本文上述研究，在明確通信電源應用需要的基礎上引入同步整流技術，分別從3個方面實現(xiàn)對電源的優(yōu)化設計，并通過實驗方式證明優(yōu)化思路的可行性。當前低壓大電流通信電源已經(jīng)成為電源市場主要需求類型，并且在通信電源行業(yè)中占據(jù)著絕大部分市場。為了更好地實現(xiàn)通信電源的廣泛應用，在今后將更加深入研究如何實現(xiàn)通信電源的低壓和大電流運行，從而進一步擴大通信電源的應用市場。