高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)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(shù)的發(fā)展，對電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器[1]。高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中十分重要，能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出并減少能量損耗，延長設(shè)備的使用時間并減少能源消耗[2]。因此，對高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)用進行研究具有重要意義。文章旨在分析高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)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(xiàn)。

1 選擇高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器

1.1 高效DC/DC 轉(zhuǎn)換器技術(shù)現(xiàn)狀

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)用備受研究人員關(guān)注，著重于提高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器芯片，如LM2596、LM2575 等芯片進行級聯(lián)或拓撲設(shè)計，從而得到具有穩(wěn)定輸出和較高轉(zhuǎn)換效率的電源系統(tǒng)[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(shù)改進和優(yōu)化[5]。

常用的通信電源的DC/DC 轉(zhuǎn)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(shè)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(wěn)定性要求較高的通信應(yīng)用。MP2315 芯片是一款低成本高效率的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，適用于對成本敏感的通信設(shè)備。通過綜合對比，文章選擇TPS54160 芯片作為主要DC/DC 轉(zhuǎn)換器研究對象。

1.2 TPS54160 轉(zhuǎn)換器芯片

TPS54160 芯片具有以下優(yōu)勢。首先，TPS54160芯片轉(zhuǎn)換效率高達96%，輸出較為穩(wěn)定，能夠有效地將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓，減少能源損耗，并提高通信設(shè)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(tǒng)中的電壓波動，提供更穩(wěn)定的電源。再次，TPS54160 芯片具有寬輸入電壓范圍優(yōu)勢，能夠在4.5 ～60 V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，因此適用于多種不同輸入電壓的通信設(shè)備，可以靈活地應(yīng)用于各種場景。最后，TPS54160 采用小型化封裝和低功耗設(shè)計，能夠在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)高效率的電源轉(zhuǎn)換，同時降低系統(tǒng)的功耗，滿足通信設(shè)備對小型化、輕量化的需求。

2 TPS54160 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)用測試

2.1 通信設(shè)備中電源的關(guān)鍵性能參數(shù)

通信設(shè)備中電源的關(guān)鍵性能參數(shù)主要包括以下3種。一是最小輸出電壓，在通信設(shè)備中，的電源的穩(wěn)定可靠性十分重要，最小“導(dǎo)通”時間的最小輸出電壓可以減少電源轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗，提高轉(zhuǎn)換器的效率，從而延長設(shè)備的使用時間。二是效率和功耗，通信設(shè)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(guān)頻率的轉(zhuǎn)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(shè)備的使用時間。三是瞬態(tài)響應(yīng)，通信設(shè)備通常會面臨各種負載變化，如網(wǎng)絡(luò)通信負載的波動或無線信號的強度變化等，此時轉(zhuǎn)換器需要快速和穩(wěn)定地調(diào)整輸出電壓，以確保設(shè)備的正常運行。

2.2 TPS54160 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用測試電路

TPS54160 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)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(yīng)用中的常見情況，還需要充分考慮轉(zhuǎn)換器的性能和效率。利用TPS54160作為穩(wěn)壓器，構(gòu)成電源應(yīng)用具體的實驗環(huán)境，TPS54160 轉(zhuǎn)換器實驗電路如圖1 所示。

圖1 TPS54160 轉(zhuǎn)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(shè)計的參數(shù)如表1 所示。針對每種開關(guān)頻率，都單獨設(shè)計誤差放大器的補償組件，具體補償值采用芯片生產(chǎn)商提供的既有參數(shù)。

表1 不同輸出頻率電源設(shè)計原器件參數(shù)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(guān)管的驅(qū)動信號和輸出電壓之間的時間間隔來評估TPS54160 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度和響應(yīng)性能。TPS54160 轉(zhuǎn)換器其占空比為0.104，并根據(jù)芯片手冊中提供的數(shù)據(jù)得知最小“導(dǎo)通”時間為130 ns。通過可控脈寬限制，確定產(chǎn)生最小占空比所需的條件。利用最小“導(dǎo)通”時間乘以開關(guān)頻率，得出最小占空比的數(shù)值。隨后，通過輸入電壓設(shè)定為48 V 乘以最小占空比，計算出最小輸出電壓的數(shù)值，如表2 所示。

表2 最小“導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器性能的一種關(guān)鍵標準，因為它確保轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器在不同工作條件下的可靠性和穩(wěn)定性，為設(shè)計和應(yīng)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(jié)合輸入和輸出電壓，計算轉(zhuǎn)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(jié)合輸入電壓和開關(guān)頻率，計算轉(zhuǎn)換器的功耗，評估轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中的能量損失情況，從而優(yōu)化設(shè)計以提高效率。功耗的組成部分主要包括場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）驅(qū)動損耗、FET 開關(guān)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(dǎo)致功率損失，如散熱器損耗、線路電阻損耗等?？紤]這些因素后，負載、工作頻率與效率的整體關(guān)系如圖2 所示。

圖2 負載、工作頻率與效率關(guān)系

由圖2 可知，在轉(zhuǎn)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(fù)雜的相互影響關(guān)系。在較低負載下，由于輸出功率較低，轉(zhuǎn)換器的固有損耗占比相對較高，如開關(guān)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(chǎn)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(zhuǎn)換器設(shè)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(zhuǎn)換效率。

2.3.3 瞬態(tài)響應(yīng)測試

在負載端施加負載變化，觀察輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)情況，包括上升時間、下降時間及穩(wěn)定時間等。通過觀察輸出電壓的變化過程，評估轉(zhuǎn)換器對負載變化的快速響應(yīng)能力和穩(wěn)定性，以確保轉(zhuǎn)換器在實際應(yīng)用中的可靠性。在使用快速開關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換器時，設(shè)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(tài)響應(yīng)參數(shù)如表3 所示，隨著開關(guān)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(yīng)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?？焖匍_關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換器性能穩(wěn)定和可靠的因素之一。

表3 瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)

3 結(jié) 論

文章主要分析和測試高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)用。通過對TPS54160 芯片的評估，得出以下結(jié)論：在合適的工作頻率下，TPS54160 芯片具有最小輸出電壓，可實現(xiàn)高效率和穩(wěn)定的輸出；同時，觀察到較高開關(guān)頻率下，轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率和較低的功耗；瞬態(tài)響應(yīng)測試表明，TPS54160 芯片能夠在負載變化時快速而穩(wěn)定地調(diào)整輸出電壓，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究為高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)用提供了重要參考。