基于數字式控制DC-DC 開關的通信電源設計

牟玉龍

（貴州機電職業技術學院，貴州 都勻 558000）

0 引 言

隨著微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等技術的發展，集成在工業上的應用越來越多[1]。在20 多年前，一些科研人員開始研究將數字化技術應用于電力電子設備（如電機驅動器）的設計中，目的是使這些設備在低于數十kHz 的工作頻率范圍內，具備更高的可控性、智能化以及柔性化[2]。

近年來數字開關的動態特性已經遠遠超過了傳統的仿真設計方法所能達到的水平，這種趨勢為高速數字電源的設計帶來了更高的性能和可靠性，也提升了其在實際應用中的適用性[3]。同時，在DC-DC 變換器的數字控制算法和實現方面，也存在著明顯的優勢。由于數字化控制具有編程靈活、易于實現復雜控制、對外圍設備的依賴程度低、穩定性高、抗噪聲等特點，使數字化設計顯示出廣闊的應用前景[4]。本文基于數字式控制DC-DC 開關，對通信電源展開設計研究。

1 基于數字式控制DC-DC 開關的電源降壓轉換器設計

為滿足通信電源的設計需求，開展相關研究前，進行基于數字式控制DC-DC 開關的電源降壓轉換器設計[5]。

在通信電源的設計過程中，應明確電源降壓轉換器主要由晶體管、輸出電容、電感等構成。通常情況下，可以使用開關S 進行數字式控制DC-DC 開關所需電源的調節。數字式控制DC-DC 開關以固定的頻率進行開關操作，設固定頻率為f，則電源的固定工作周期為

式中：T為通信電源的固定工作周期。在此基礎上，假設電源降壓轉換器的開關通導時長為Ton、開關閉合時長為Toff，則

在已知Ton、Toff的基礎上，根據通信電源工作周期的時長，推導得到電源降壓轉換器的設計電壓，計算公式為

式中：U為電源降壓轉換器的設計輸出電壓；U0為輸出電壓；t為作業時長。按照上述方式，結合晶體管的正向導通作業方式對電感電磁場進行線性分析，通過在此過程中對電磁場能量的轉換，實現基于數字式控制DC-DC 開關的電源降壓轉換器設計。

2 通信電源磁芯選擇與匝數計算

在上述設計內容的基礎上，應明確通信電源磁芯是其設計中不可忽視的一個重要環節。功率變壓器是一種利用電磁感應原理進行交流電壓傳輸的設備，是開關通信電源中的一個關鍵部件，在實現系統的能量轉換、電壓變換等方面發揮著舉足輕重的作用。每個通信電源磁芯的外形都大同小異，但所產生的磁場強度卻截然不同。通信電源磁芯一般采用低磁場的軟磁材料，此類材料具有電阻率高、矯頑力小、磁導率高等優勢。較高的電阻率有利于減小磁通、鐵損，隨著矯頑場減小，磁滯回環面積減小。因此，在輸出功率一定時，可以采用減小磁芯體積的方式，優化通信電源磁芯的選擇。在上述內容的基礎上，采用面積乘積法（Area Product，AP）計算通信電源磁芯的截面面積，公式為

式中：A為通信電源磁芯截面面積；PT為變壓器的輸出功率；K1為窗口利用系數；K2為波形系數；K3為材料相關系數；B為磁芯結構系數。根據上述結果，計算通信電源磁芯的匝數，公式為

式中：N為通信電源磁芯的匝數。按照上述方式，完成通信電源磁芯的選擇與匝數的計算。

3 電源D/A 電路與串口通信設計

完成上述研究后，進行電源數字/模擬（Digital/Analog，D/A）電路的設計。設計過程中，應根據通信電源的作業范圍，主動調整供電電壓的電路節點分布。在此過程中，電源D/A 電路以D/A 變換器AD7801 為核心，將電路輸出的數字信號轉化為模擬信號，達到對供電電壓進行控制的目的。AD7801 是一款單通道、8 bit 的D/A 轉換芯片，該芯片集成在通信電源中，可以利用芯片中的2.7 ～5.5 V 單電源進行供電。同時，轉換芯片集成了一個并行微處理器和DSP 兼容接口，因此還擁有低功耗的特性，滿足3.3 V電源供電時功耗小于5 MW的需求。設計過程中，如果參考電壓與工作電壓直接相連，那么參考電壓可以按照工作電壓的一半設定。

完成電源D/A 電路的設計后，進行通信電源串口通信方式的選擇。通信中，使用電源內置的串行通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，UART）雙通道進行數據流的芯片控制，根據傳輸數據的寬度選擇通信電源的帶寬，以此種方式實現電源D/A 電路與串口通信的設計。

4 實例應用分析

上文從3 個方面完成了數字式控制開關通信電源的設計，為檢驗數字式控制開關通信電源的實際應用效果，本文將開展如下所示的測試。測試前，應明確通信電源是整合通信網絡中的關鍵基礎設施，本次設計的通信電源預期投產后作業在某區域大型通信網絡中，為確保設計的電源可以發揮預期效果，完成設計后，按照表1 所示的內容進行通信電源設計指標的分析。

表1 通信電源設計指標分析

完成上述通信電源設計指標的分析后，按照設計的需要，將數字式控制DC-DC 開關的主電源改為3 路供電，結合實際情況，采用程控開關。在用戶分布密集區域使用時，通信信號發射裝置采用24 V 的固定電壓作為電源，當探測到用戶分布稀疏區域時，將通信信號發射裝置的電源轉換為可調的開關電源，并根據所接收到的信號量進行調整。在此過程中，需要根據用戶的分布，結合信號采集裝置與電路反饋信息進行通信電源固定電壓的轉換與調整。為確保相關工作的實施達到預期效果，按照圖1 進行通信電源設計方案的綜合部署。

圖1 通信電源設計方案的綜合部署

在上述內容的基礎上，按照本文提出的方法進行通信電源的設計。在此過程中，先進行基于數字式控制DC-DC 開關的電源降壓轉換器設計，根據表1中提出的通信電源設計指標，進行通信電源磁芯的選擇與對應匝數的計算。最后，通過對電源D/A 電路與串口通信方式的設計，完成本文方法在通信電源設計中的應用。

在明確通信電源輸出的直流電壓范圍為9 ～18 V 的基礎上，對通信電源進行輸出功率測試。調整通信電源輸出直流的電壓范圍，進行輸出功率的統計，結果如表2 所示。

表2 通信電源輸出功率統計

從表2 所示的實驗結果中可以看出，通信電源輸出電壓與通信電源輸出電流之間呈現反比例關系，與輸出功率之間呈現正比例關系。即隨著通信電源輸出電壓的升高，通信電源輸出電流降低，對應的輸出功率升高。根據通信電源輸出電壓在9 ～18 V 變化，發現電源對應的輸出功率在45.0 ～68.4 W 變化，滿足通信電源在某區域大型通信網絡中的應用需求。

在上述內容的基礎上，對設計的通信電源效率進行測試，計算公式為

式中：X為通信電源效率；P1為輸出功率；P2為即時功率。參照上述方式進行通信電源效率的統計，其結果如表3 所示。

表3 通信電源效率統計

從表3 所示的實驗結果可以看出，通信電源輸出電壓在9 ～13 V 時，通信電源效率＞90%。綜合上述實驗結果得到如下結論：本文此次研究提出的通信電源設計方法的應用效果良好，使用本文方法進行通信電源設計可以在確保通信電源輸出功率符合要求的同時，使通信電源效率在90%以上，發揮通信電源在實際應用中的更高價值與效能。

5 結 論

本文基于數字式控制DC-DC 開關，對通信電源展開設計研究。設計DC-DC 開關的電源降壓轉換器，選擇通信電源磁芯并計算匝數，設計D/A 電路與串口通信，完成基于數字式控制DC-DC 開關的通信電源設計。研究成果經過實例應用分析后證明了可以在確保通信電源輸出功率符合要求的同時，使通信電源效率在90%以上。