通信设备几种常见内置电源解决方案

1.引言

由于通信的迅速发展，导致其单板负载的变化非常快，主要体现在以下几个方面：

1：同一块单板上需要多种不同电压的供电电源，有的电源电压输出还要可以数字程控;

2：各种输出的供电电源均朝更低的电压，更大的电流，更高的精度，更快的负载变化方向发展;

3：同一单板上的不同负载，对它们的供电电源有开关机时序的要求;

4：进一步降低电源的高度、提高电源的功率密度以满足不断增长的单板功能密度要求，等等.随着单板负载对其供电电源要求的不断提高，这种电源的设计及相应电源解决方案的设计也变得更为复杂与多样化.本文通过介绍通信设备已有的电源解决方案(限于内置式)，并结合上述单板负载的新要求，来规划下一代通信设备可能采用的各种电源解决方案，以供国内开关电源生产企业在规划自己的产品系列和市场策略时参考.

2.各种已有的电源解决方案介绍

已有的电源解决方案通常有AC-DC模块和DC-DC模块组合而成.这些AC-DC模块和DC-DC模块既有标准的，也有客户定制的，取决于所选择的电源解决方案.电源解决方案是开关电源产品发展方向的路标.了解通信商的电源解决方案并帮助他们设计最优的电源解决方案对电源的发展将是非常重要的.下面先介绍各种已有电源解决方案的框图和特点及相关评述.

1).集中式供电的电源解决方案

图1(a)是用单个AC-DC多输出变换器构成的，其特征为：1：材料成本低;2：多为定制产品，开发时间长，开发成本高;3：可靠性低;4：热管理困难;5：大的负载需远端补偿，等等.它是许多较小通信设备中所用的供电方案，这种AC/DC模块是目前许多中小型电源企业的主要产品.图1(b)是用(n+1)个AC-DC多输出变换器构成的系统

其特征为：1：可靠性较高;2：可用相对标准的电源模块实现，研制成本降低;3：材料成本比方案(a)高;4：热管理困难;5：大的负载需远端补偿，等等.其典型例子有数据通信中用CPCI150，CPCI350等构成的4输出AC/DC系统.图1(c)是用几个不同的AC-DC多输出变换器构成的系统，其特征为：1：可靠性低;2：通常尽量采用已有的电源模块，但无冗余功能;3：材料成本介于方案(a)和方案(b)之间;4：热管理困难;5：大的负载需远端补偿，等等.这类内置集中式供电电源的通信设备结构见图2所示.一般在设备的低部接图1中所示的AC/DC供电系统，后面是低电压的直流配电，向各单板上的负载供电.

2).分布式供电的电源解决方案

分布式供电的电源解决方案是现在大部分通信设备所用的方案，下面介绍两种结构.

基本结构(1)：AC/DC变换器系统+DC/DC变换器系统

这种结构是一种两级结构，第一级的AC/DC多为n+1个AC/DC模块组成的小系统;其输出是中间的直流母线(一般为-48V)，当系统的可靠性要求很高时，在中间母线上也可挂接电池.第二级是一个DC/DC系统，它既可以用定制的多输出电源模块来实现，也可以用

各种标准的DC/DC模块来实现，如半砖，1/4砖甚至1/8砖等模块，后面的负载直接有DC/DC系统供电.其特征是：1：可靠性较高;2：热管理比集中式容易;3：大的负载需远端补偿，等等.

基本结构(2)：AC/DC变换器系统+板上DC/DC变换器+DC/DC变换器系统+三次DC/DC变换器交流输入

这种结构的第一级不变，仍为AC/DC小系统，其作用是输出中间直流母线电压(一般为-48V DC);所不同的是单板负载的供电实现，大部分单板采用板上DC/DC变换器供电，它们可以是标准的半砖和1/4砖甚至1/8砖DC/DC模块，也可以是一些非标准的小功率DC/DC模块;另一部分负载要求较高的单板则采用两级DC/DC来实现供电，前级DC/DC既可以是一个标准的DC/DC模块，也可以是由几个标准DC/DC模块组成的系统，类似于方案(1)中的DC/DC，区别是其输出也仅是一个中间母线(一般为12V与5V)，它们给这些单板上的非隔离DC/DC变换器(或称三次DC/DC变换器)供电.这种供电方案中的DC/DC，大部分采用了标准的DC/DC电源模块及三次DC/DC变换器.其特征是：1：可靠性较高;2：热管理容易;3：不需远端补偿，4：电源产品将更标准化，等等.

3.电源解决方案的发展趋势

上面介绍的几种电源解决方案都已难以满足单板负载的最新要求，因此设计新的电源解决方案已成为非常迫切的事情.结合国外电源的发展趋势，作者预测了可能的两种电源解决方案，介绍给各电源生产企业以供产品开发时的参考.

方案(1)：AC/DC变换器系统+二次DC/DC模块(或系统)+板上三次DC/DC变换器

这种电源供电方案的AC/DC部分保持不变，输出中间的母线电压仍为-48V.所不同的是DC/DC部分，它由二次DC/DC模块(或系统)来提供一组单板(可以是一块也可以是几块)的输入母线(为12V)，所有单板上的供电都有三次DC/DC变换器来实现，它们是一种非隔离Buck DC/DC变换器，目前除了输出滤波电感、滤波电容等少数几个元件外，其余的已被集成在一个芯片中，因次三次DC/DC变换器的主要器件已是功率IC，其设计将变得非常灵活和简单，且能非常容易地满足通信负载的各种新要求.这种方案在国外已开始应用.因目前的电源企业往往还不能开发功率IC，所以他们仍会去开发分离的三次DC/DC模块，并可能会仿照二次DC/DC模块那样进行标准化与系列化，这种结果是导致另一种新的电源解决方案也即下面要介绍的方案(2)的产生，如图6所示.它与方案(1)的区别仅在于单板上供电的非隔离DC/DC变换器的实现方法上

方案(1)是用功率IC 再加一些滤波元件来实现的;而方案(2)则是由电源公司设计制造的另一种电源模块.

方案(2)：AC/DC变换器系统+二次DC/DC模块(或系统)+板上三次DC/DC模块

4.给电源企业的建议

电源生产企业应尽最大的努力去满足通信设备客户的新的供电要求.一种战略是去开发一种三次DC/DC标准电源模块系列.但由于三次电源的快速暂态负载要求，使电源控制技术变成了一个瓶颈.故极大部分电源制造商在开发这类新产品时必须借助IC制造商所开发的功率控制IC，但IC制造商目前想直接将此功率IC和他们开发的三次DC/DC变换器技术一起卖给通信设备制造商，以便获得更多的利润.这里用三次DC/DC变换器的目的是为了与

电源制造商原本可做的三次DC/DC电源模块的区别.它们之间有很多区别，总结如下：

1：三次DC/DC电源模块是标准的，而三次DC/DC变换器是非标准的;

2：三次DC/DC电源模块是独立的，而三次DC/DC变换器是非独立的;

3：对三次DC/DC电源模块，用户只有选择的权利，如同选用二次DC/DC电源模块一样，是一种电源解决方案的设计，而对三次DC/DC变换器，用户能进行灵活的自行设计，易于优化;

4：三次DC/DC电源模块具有可替代性，而三次DC/DC变换器不具有可替代性;

5：三次DC/DC电源模块的开发是电源商的事，而三次DC/DC变换器的开发则是用户自己的事;

6：高级功能(如时序，多路集成控制器等)等要求对三次DC/DC变换器更有利;

7：三次DC/DC变换器的性能，散热比三次DC/DC电源模块更好，等等.

由于这些区别，使得电源制造商和IC制造商在新一轮单板电源的市场上将展开激烈的竞争.目前IC制造商已抢占了先机，但电源制造商也不会放弃这一领域的竞争(如他们正在努力开发1/8砖甚至1/16砖的新产品).谁将成为赢家，决定权在通信设备商.这也许会是一次分工的里程碑，此后的情况是电源制造商专注于生产除三次DC/DC电源以外的各类电源模块，可以生产一次电源模块(-48V输出甚至400V输出)，但更重要的是生产二次电源模块(12V输出)和工业电源模块(即内置单路输出与多路输出AC/DC电源模块);而三次DC/DC变换器将由用户在IC制造商的帮助下，自行设计开发，就如同他们研制通信单板一样，这方面的市场将完全为IC制造商占领.但电源制造商应当庆幸的是，此时的二次DC/DC模块用量也将同步增长，而且变得更好做了.不过也会有更多的竟争对手来抢夺市场，其趋势是电源制造商的分化进而垄断.

5.结论

本文介绍了通信设备中几种常见的电源解决方案.根据单板负载的新需求和国外电源的发展趋势，预测了今后的通信设备中可能采用的电源解决方案，并建议电源生产企业关注其趋势，去做好迎接电源业即将到来的一场新机会.