基于数字式控制DC-DC 开关的通信电源设计

牟玉龙

（贵州机电职业技术学院，贵州 都匀 558000）

0 引 言

随着微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）等技术的发展，集成在工业上的应用越来越多[1]。在20 多年前，一些科研人员开始研究将数字化技术应用于电力电子设备（如电机驱动器）的设计中，目的是使这些设备在低于数十kHz 的工作频率范围内，具备更高的可控性、智能化以及柔性化[2]。

近年来数字开关的动态特性已经远远超过了传统的仿真设计方法所能达到的水平，这种趋势为高速数字电源的设计带来了更高的性能和可靠性，也提升了其在实际应用中的适用性[3]。同时，在DC-DC 变换器的数字控制算法和实现方面，也存在着明显的优势。由于数字化控制具有编程灵活、易于实现复杂控制、对外围设备的依赖程度低、稳定性高、抗噪声等特点，使数字化设计显示出广阔的应用前景[4]。本文基于数字式控制DC-DC 开关，对通信电源展开设计研究。

1 基于数字式控制DC-DC 开关的电源降压转换器设计

为满足通信电源的设计需求，开展相关研究前，进行基于数字式控制DC-DC 开关的电源降压转换器设计[5]。

在通信电源的设计过程中，应明确电源降压转换器主要由晶体管、输出电容、电感等构成。通常情况下，可以使用开关S 进行数字式控制DC-DC 开关所需电源的调节。数字式控制DC-DC 开关以固定的频率进行开关操作，设固定频率为f，则电源的固定工作周期为

式中：T为通信电源的固定工作周期。在此基础上，假设电源降压转换器的开关通导时长为Ton、开关闭合时长为Toff，则

在已知Ton、Toff的基础上，根据通信电源工作周期的时长，推导得到电源降压转换器的设计电压，计算公式为

式中：U为电源降压转换器的设计输出电压；U0为输出电压；t为作业时长。按照上述方式，结合晶体管的正向导通作业方式对电感电磁场进行线性分析，通过在此过程中对电磁场能量的转换，实现基于数字式控制DC-DC 开关的电源降压转换器设计。

2 通信电源磁芯选择与匝数计算

在上述设计内容的基础上，应明确通信电源磁芯是其设计中不可忽视的一个重要环节。功率变压器是一种利用电磁感应原理进行交流电压传输的设备，是开关通信电源中的一个关键部件，在实现系统的能量转换、电压变换等方面发挥着举足轻重的作用。每个通信电源磁芯的外形都大同小异，但所产生的磁场强度却截然不同。通信电源磁芯一般采用低磁场的软磁材料，此类材料具有电阻率高、矫顽力小、磁导率高等优势。较高的电阻率有利于减小磁通、铁损，随着矫顽场减小，磁滞回环面积减小。因此，在输出功率一定时，可以采用减小磁芯体积的方式，优化通信电源磁芯的选择。在上述内容的基础上，采用面积乘积法（Area Product，AP）计算通信电源磁芯的截面面积，公式为

式中：A为通信电源磁芯截面面积；PT为变压器的输出功率；K1为窗口利用系数；K2为波形系数；K3为材料相关系数；B为磁芯结构系数。根据上述结果，计算通信电源磁芯的匝数，公式为

式中：N为通信电源磁芯的匝数。按照上述方式，完成通信电源磁芯的选择与匝数的计算。

3 电源D/A 电路与串口通信设计

完成上述研究后，进行电源数字/模拟（Digital/Analog，D/A）电路的设计。设计过程中，应根据通信电源的作业范围，主动调整供电电压的电路节点分布。在此过程中，电源D/A 电路以D/A 变换器AD7801 为核心，将电路输出的数字信号转化为模拟信号，达到对供电电压进行控制的目的。AD7801 是一款单通道、8 bit 的D/A 转换芯片，该芯片集成在通信电源中，可以利用芯片中的2.7 ～5.5 V 单电源进行供电。同时，转换芯片集成了一个并行微处理器和DSP 兼容接口，因此还拥有低功耗的特性，满足3.3 V电源供电时功耗小于5 MW的需求。设计过程中，如果参考电压与工作电压直接相连，那么参考电压可以按照工作电压的一半设定。

完成电源D/A 电路的设计后，进行通信电源串口通信方式的选择。通信中，使用电源内置的串行通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，UART）双通道进行数据流的芯片控制，根据传输数据的宽度选择通信电源的带宽，以此种方式实现电源D/A 电路与串口通信的设计。

4 实例应用分析

上文从3 个方面完成了数字式控制开关通信电源的设计，为检验数字式控制开关通信电源的实际应用效果，本文将开展如下所示的测试。测试前，应明确通信电源是整合通信网络中的关键基础设施，本次设计的通信电源预期投产后作业在某区域大型通信网络中，为确保设计的电源可以发挥预期效果，完成设计后，按照表1 所示的内容进行通信电源设计指标的分析。

表1 通信电源设计指标分析

完成上述通信电源设计指标的分析后，按照设计的需要，将数字式控制DC-DC 开关的主电源改为3 路供电，结合实际情况，采用程控开关。在用户分布密集区域使用时，通信信号发射装置采用24 V 的固定电压作为电源，当探测到用户分布稀疏区域时，将通信信号发射装置的电源转换为可调的开关电源，并根据所接收到的信号量进行调整。在此过程中，需要根据用户的分布，结合信号采集装置与电路反馈信息进行通信电源固定电压的转换与调整。为确保相关工作的实施达到预期效果，按照图1 进行通信电源设计方案的综合部署。

图1 通信电源设计方案的综合部署

在上述内容的基础上，按照本文提出的方法进行通信电源的设计。在此过程中，先进行基于数字式控制DC-DC 开关的电源降压转换器设计，根据表1中提出的通信电源设计指标，进行通信电源磁芯的选择与对应匝数的计算。最后，通过对电源D/A 电路与串口通信方式的设计，完成本文方法在通信电源设计中的应用。

在明确通信电源输出的直流电压范围为9 ～18 V 的基础上，对通信电源进行输出功率测试。调整通信电源输出直流的电压范围，进行输出功率的统计，结果如表2 所示。

表2 通信电源输出功率统计

从表2 所示的实验结果中可以看出，通信电源输出电压与通信电源输出电流之间呈现反比例关系，与输出功率之间呈现正比例关系。即随着通信电源输出电压的升高，通信电源输出电流降低，对应的输出功率升高。根据通信电源输出电压在9 ～18 V 变化，发现电源对应的输出功率在45.0 ～68.4 W 变化，满足通信电源在某区域大型通信网络中的应用需求。

在上述内容的基础上，对设计的通信电源效率进行测试，计算公式为

式中：X为通信电源效率；P1为输出功率；P2为即时功率。参照上述方式进行通信电源效率的统计，其结果如表3 所示。

表3 通信电源效率统计

从表3 所示的实验结果可以看出，通信电源输出电压在9 ～13 V 时，通信电源效率＞90%。综合上述实验结果得到如下结论：本文此次研究提出的通信电源设计方法的应用效果良好，使用本文方法进行通信电源设计可以在确保通信电源输出功率符合要求的同时，使通信电源效率在90%以上，发挥通信电源在实际应用中的更高价值与效能。

5 结 论

本文基于数字式控制DC-DC 开关，对通信电源展开设计研究。设计DC-DC 开关的电源降压转换器，选择通信电源磁芯并计算匝数，设计D/A 电路与串口通信，完成基于数字式控制DC-DC 开关的通信电源设计。研究成果经过实例应用分析后证明了可以在确保通信电源输出功率符合要求的同时，使通信电源效率在90%以上。