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(huì)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(duì)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(shí)間并減少能源消耗[2]。因此，對(duì)高效率DC/DC 轉(zhuǎn)換器在通信電源中的應(yīng)用進(jìn)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(jìn)行詳細(xì)研究，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)多種DC/DC 轉(zhuǎn)換器芯片，如LM2596、LM2575 等芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)或拓?fù)湓O(shè)計(jì)，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(fù)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(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)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(qiáng)，適用于對(duì)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(diǎn)，適用于對(duì)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(duì)成本敏感的通信設(shè)備。通過綜合對(duì)比，文章選擇TPS54160 芯片作為主要DC/DC 轉(zhuǎn)換器研究對(duì)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(dá)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(dòng)，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(jì)，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的電源轉(zhuǎn)換，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗，滿足通信設(shè)備對(duì)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(shí)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(shí)間。二是效率和功耗，通信設(shè)備通常需要長時(shí)間運(yùn)行，且要求在有限的電池容量下提供持久的使用時(shí)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(shí)間。三是瞬態(tài)響應(yīng)，通信設(shè)備通常會(huì)面臨各種負(fù)載變化，如網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載的波動(dòng)或無線信號(hào)的強(qiáng)度變化等，此時(shí)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(yùn)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(gè)不同的工作頻率。頻率范圍的選擇不僅考慮實(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境，TPS54160 轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)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(huì)減小，不同輸出頻率電源設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1 所示。針對(duì)每種開關(guān)頻率，都單獨(dú)設(shè)計(jì)誤差放大器的補(bǔ)償組件，具體補(bǔ)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(jì)原器件參數(shù)表

2.3 實(shí)驗(yàn)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(dòng)信號(hào)和輸出電壓之間的時(shí)間間隔來評(píng)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)間的最小輸出電壓

這一系列計(jì)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(gè)最小輸出電壓是衡量轉(zhuǎn)換器性能的一種關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗_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(huì)低于一定的標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過計(jì)算最小輸出電壓，能夠評(píng)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(jì)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(jì)算轉(zhuǎn)換器的效率。同時(shí)，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(jì)算轉(zhuǎn)換器的功耗，評(píng)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(jì)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(dòng)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。考慮這些因素后，負(fù)載、工作頻率與效率的整體關(guān)系如圖2 所示。

圖2 負(fù)載、工作頻率與效率關(guān)系

由圖2 可知，在轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行過程中，負(fù)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(fù)載下，由于輸出功率較低，轉(zhuǎn)換器的固有損耗占比相對(duì)較高，如開關(guān)損耗等。然而，隨著負(fù)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(huì)對(duì)效率產(chǎn)生影響。一般來說，較高的工作頻率會(huì)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(jì)中需要綜合考慮負(fù)載大小和工作頻率，尋找最佳的工作點(diǎn)，即效率的峰值點(diǎn)，以達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效率。

2.3.3 瞬態(tài)響應(yīng)測試

在負(fù)載端施加負(fù)載變化，觀察輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)情況，包括上升時(shí)間、下降時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間等。通過觀察輸出電壓的變化過程，評(píng)估轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)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(shí)際應(yīng)用中的可靠性。在使用快速開關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)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(huì)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(fù)載變化，從而減小輸出電壓的波動(dòng)。因此，選擇具有足夠帶寬的誤差放大器是確保快速開關(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(duì)TPS54160 芯片的評(píng)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(shí)現(xiàn)高效率和穩(wěn)定的輸出；同時(shí)，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(fù)載變化時(shí)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。