高效率DC/DC 轉換器在通信電源中的應用研究

永 軍，張千朋，劉歡，馬會濱，蒙亞東

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引 言

隨著通信技術的發展，對電源轉換器的性能需求越來越高，特別是需要高效率、小體積及低成本的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉換器[1]。高效率DC/DC 轉換器在通信電源中十分重要，能夠提供穩定的電壓輸出并減少能量損耗，延長設備的使用時間并減少能源消耗[2]。因此，對高效率DC/DC 轉換器在通信電源中的應用進行研究具有重要意義。文章旨在分析高效率DC/DC 轉換器在通信電源中的應用，并以TPS54160 芯片為例進行詳細研究，通過實驗驗證TPS54160 芯片在通信電源中的性能表現。

1 選擇高效率DC/DC 轉換器

1.1 高效DC/DC 轉換器技術現狀

隨著通信技術的迅速發展，高效率DC/DC 轉換器在通信電源中的應用備受研究人員關注，著重于提高轉換效率、縮小體積及降低成本等方面的研究工作[3]。一些研究針對多種DC/DC 轉換器芯片，如LM2596、LM2575 等芯片進行級聯或拓撲設計，從而得到具有穩定輸出和較高轉換效率的電源系統[4]。然而，這些芯片在高負載情況下可能存在效率下降和輸出紋波較大等問題，具有局限性，需要進行進一步的技術改進和優化[5]。

常用的通信電源的DC/DC 轉換器芯片有3 種。TPS54360 芯片輸入電壓范圍較寬且輸出電流能力較強，適用于對電源要求更高的通信設備。LT8610AB芯片具有低壓降和低紋波等特點，適用于對輸出電壓穩定性要求較高的通信應用。MP2315 芯片是一款低成本高效率的DC/DC 轉換器，適用于對成本敏感的通信設備。通過綜合對比，文章選擇TPS54160 芯片作為主要DC/DC 轉換器研究對象。

1.2 TPS54160 轉換器芯片

TPS54160 芯片具有以下優勢。首先，TPS54160芯片轉換效率高達96%，輸出較為穩定，能夠有效地將輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓，減少能源損耗，并提高通信設備的性能和可靠性。其次，TPS54160芯片低紋波電壓有助于減少系統中的電壓波動，提供更穩定的電源。再次，TPS54160 芯片具有寬輸入電壓范圍優勢，能夠在4.5 ～60 V 輸入電壓范圍內工作，因此適用于多種不同輸入電壓的通信設備，可以靈活地應用于各種場景。最后，TPS54160 采用小型化封裝和低功耗設計，能夠在有限的空間內實現高效率的電源轉換，同時降低系統的功耗，滿足通信設備對小型化、輕量化的需求。

2 TPS54160 轉換器在通信電源中的應用測試

2.1 通信設備中電源的關鍵性能參數

通信設備中電源的關鍵性能參數主要包括以下3種。一是最小輸出電壓，在通信設備中，的電源的穩定可靠性十分重要，最小“導通”時間的最小輸出電壓可以減少電源轉換過程中的能量損耗，提高轉換器的效率，從而延長設備的使用時間。二是效率和功耗，通信設備通常需要長時間運行，且要求在有限的電池容量下提供持久的使用時間，高開關頻率的轉換器通常具有較高的效率和較低的功耗，能夠最大限度地提高電池利用率，延長設備的使用時間。三是瞬態響應，通信設備通常會面臨各種負載變化，如網絡通信負載的波動或無線信號的強度變化等，此時轉換器需要快速和穩定地調整輸出電壓，以確保設備的正常運行。

2.2 TPS54160 轉換器應用測試電路

TPS54160 轉換器在通信電源中的應用測試中，選擇100 kHz、300 kHz 及750 kHz 這3 個不同的工作頻率。頻率范圍的選擇不僅考慮實際應用中的常見情況，還需要充分考慮轉換器的性能和效率。利用TPS54160作為穩壓器，構成電源應用具體的實驗環境，TPS54160 轉換器實驗電路如圖1 所示。

圖1 TPS54160 轉換器測試電路

圖1 中的電路圖中輸出端的濾波器包括電感L1和電容C2，隨著頻率的增加，電感的直流電阻會減小，不同輸出頻率電源設計的參數如表1 所示。針對每種開關頻率，都單獨設計誤差放大器的補償組件，具體補償值采用芯片生產商提供的既有參數。

表1 不同輸出頻率電源設計原器件參數表

2.3 實驗測試

2.3.1 最小輸出電壓

在本研究中通過測量開關管的驅動信號和輸出電壓之間的時間間隔來評估TPS54160 轉換器的開關速度和響應性能。TPS54160 轉換器其占空比為0.104，并根據芯片手冊中提供的數據得知最小“導通”時間為130 ns。通過可控脈寬限制，確定產生最小占空比所需的條件。利用最小“導通”時間乘以開關頻率，得出最小占空比的數值。隨后，通過輸入電壓設定為48 V 乘以最小占空比，計算出最小輸出電壓的數值，如表2 所示。

表2 最小“導通”時間的最小輸出電壓

這一系列計算的目的在于在給定條件下轉換器能夠提供的最小輸出電壓。這個最小輸出電壓是衡量轉換器性能的一種關鍵標準，因為它確保轉換器在各種工作條件下都能夠正常工作并且輸出電壓不會低于一定的標準。因此，通過計算最小輸出電壓，能夠評估轉換器在不同工作條件下的可靠性和穩定性，為設計和應用提供重要參考。

2.3.2 效率和功耗

使用電流探頭測量輸入電流和輸出電流，并結合輸入和輸出電壓，計算轉換器的效率。同時，使用電流探頭測量電感的峰峰值電流，并結合輸入電壓和開關頻率，計算轉換器的功耗，評估轉換器在轉換過程中的能量損失情況，從而優化設計以提高效率。功耗的組成部分主要包括場效應晶體管（Field Effect Transistor，FET）驅動損耗、FET 開關損耗、電感損耗、集成電路（Integrated Circuit，IC）損耗以及其他額外的損耗因素。還有一些其他因素可能導致功率損失，如散熱器損耗、線路電阻損耗等。考慮這些因素后，負載、工作頻率與效率的整體關系如圖2 所示。

圖2 負載、工作頻率與效率關系

由圖2 可知，在轉換器的運行過程中，負載大小、工作頻率與效率之間存在著復雜的相互影響關系。在較低負載下，由于輸出功率較低，轉換器的固有損耗占比相對較高，如開關損耗等。然而，隨著負載的增加，輸出功率增加，可以抵消部分固有損耗，提高效率。另外，工作頻率的選擇也會對效率產生影響。一般來說，較高的工作頻率會增加某些損耗，如電感和電容器的損耗，從而降低效率。因此，在轉換器設計中需要綜合考慮負載大小和工作頻率，尋找最佳的工作點，即效率的峰值點，以達到最佳的轉換效率。

2.3.3 瞬態響應測試

在負載端施加負載變化，觀察輸出電壓的瞬態響應情況，包括上升時間、下降時間及穩定時間等。通過觀察輸出電壓的變化過程，評估轉換器對負載變化的快速響應能力和穩定性，以確保轉換器在實際應用中的可靠性。在使用快速開關DC/DC 轉換器時，設計人員需要確保電源IC 的誤差放大器具有足夠的帶寬支持高交叉頻率。而TPS54160 芯片的誤差放大器具有較寬的單位增益頻寬，通常為2.7 MHz。實際瞬態響應參數如表3 所示，隨著開關頻率的增加，電壓峰值通常會降低，原因是更寬的帶寬使得誤差放大器能夠更快地響應負載變化，從而減小輸出電壓的波動。因此，選擇具有足夠帶寬的誤差放大器是確保快速開關DC/DC 轉換器性能穩定和可靠的因素之一。

表3 瞬態響應參數

3 結 論

文章主要分析和測試高效率DC/DC 轉換器在通信電源中的應用。通過對TPS54160 芯片的評估，得出以下結論：在合適的工作頻率下，TPS54160 芯片具有最小輸出電壓，可實現高效率和穩定的輸出；同時，觀察到較高開關頻率下，轉換器能夠實現較高的效率和較低的功耗；瞬態響應測試表明，TPS54160 芯片能夠在負載變化時快速而穩定地調整輸出電壓，確保系統的穩定性。本研究為高效率DC/DC 轉換器在通信電源中的應用提供了重要參考。