高效率DC/DC 转换器在通信电源中的应用研究

永 军，张千朋，刘欢，马会滨，蒙亚东

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引 言

随着通信技术的发展，对电源转换器的性能需求越来越高，特别是需要高效率、小体积及低成本的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换器[1]。高效率DC/DC 转换器在通信电源中十分重要，能够提供稳定的电压输出并减少能量损耗，延长设备的使用时间并减少能源消耗[2]。因此，对高效率DC/DC 转换器在通信电源中的应用进行研究具有重要意义。文章旨在分析高效率DC/DC 转换器在通信电源中的应用，并以TPS54160 芯片为例进行详细研究，通过实验验证TPS54160 芯片在通信电源中的性能表现。

1 选择高效率DC/DC 转换器

1.1 高效DC/DC 转换器技术现状

随着通信技术的迅速发展，高效率DC/DC 转换器在通信电源中的应用备受研究人员关注，着重于提高转换效率、缩小体积及降低成本等方面的研究工作[3]。一些研究针对多种DC/DC 转换器芯片，如LM2596、LM2575 等芯片进行级联或拓扑设计，从而得到具有稳定输出和较高转换效率的电源系统[4]。然而，这些芯片在高负载情况下可能存在效率下降和输出纹波较大等问题，具有局限性，需要进行进一步的技术改进和优化[5]。

常用的通信电源的DC/DC 转换器芯片有3 种。TPS54360 芯片输入电压范围较宽且输出电流能力较强，适用于对电源要求更高的通信设备。LT8610AB芯片具有低压降和低纹波等特点，适用于对输出电压稳定性要求较高的通信应用。MP2315 芯片是一款低成本高效率的DC/DC 转换器，适用于对成本敏感的通信设备。通过综合对比，文章选择TPS54160 芯片作为主要DC/DC 转换器研究对象。

1.2 TPS54160 转换器芯片

TPS54160 芯片具有以下优势。首先，TPS54160芯片转换效率高达96%，输出较为稳定，能够有效地将输入电压转换为稳定的输出电压，减少能源损耗，并提高通信设备的性能和可靠性。其次，TPS54160芯片低纹波电压有助于减少系统中的电压波动，提供更稳定的电源。再次，TPS54160 芯片具有宽输入电压范围优势，能够在4.5 ～60 V 输入电压范围内工作，因此适用于多种不同输入电压的通信设备，可以灵活地应用于各种场景。最后，TPS54160 采用小型化封装和低功耗设计，能够在有限的空间内实现高效率的电源转换，同时降低系统的功耗，满足通信设备对小型化、轻量化的需求。

2 TPS54160 转换器在通信电源中的应用测试

2.1 通信设备中电源的关键性能参数

通信设备中电源的关键性能参数主要包括以下3种。一是最小输出电压，在通信设备中，的电源的稳定可靠性十分重要，最小“导通”时间的最小输出电压可以减少电源转换过程中的能量损耗，提高转换器的效率，从而延长设备的使用时间。二是效率和功耗，通信设备通常需要长时间运行，且要求在有限的电池容量下提供持久的使用时间，高开关频率的转换器通常具有较高的效率和较低的功耗，能够最大限度地提高电池利用率，延长设备的使用时间。三是瞬态响应，通信设备通常会面临各种负载变化，如网络通信负载的波动或无线信号的强度变化等，此时转换器需要快速和稳定地调整输出电压，以确保设备的正常运行。

2.2 TPS54160 转换器应用测试电路

TPS54160 转换器在通信电源中的应用测试中，选择100 kHz、300 kHz 及750 kHz 这3 个不同的工作频率。频率范围的选择不仅考虑实际应用中的常见情况，还需要充分考虑转换器的性能和效率。利用TPS54160作为稳压器，构成电源应用具体的实验环境，TPS54160 转换器实验电路如图1 所示。

图1 TPS54160 转换器测试电路

图1 中的电路图中输出端的滤波器包括电感L1和电容C2，随着频率的增加，电感的直流电阻会减小，不同输出频率电源设计的参数如表1 所示。针对每种开关频率，都单独设计误差放大器的补偿组件，具体补偿值采用芯片生产商提供的既有参数。

表1 不同输出频率电源设计原器件参数表

2.3 实验测试

2.3.1 最小输出电压

在本研究中通过测量开关管的驱动信号和输出电压之间的时间间隔来评估TPS54160 转换器的开关速度和响应性能。TPS54160 转换器其占空比为0.104，并根据芯片手册中提供的数据得知最小“导通”时间为130 ns。通过可控脉宽限制，确定产生最小占空比所需的条件。利用最小“导通”时间乘以开关频率，得出最小占空比的数值。随后，通过输入电压设定为48 V 乘以最小占空比，计算出最小输出电压的数值，如表2 所示。

表2 最小“导通”时间的最小输出电压

这一系列计算的目的在于在给定条件下转换器能够提供的最小输出电压。这个最小输出电压是衡量转换器性能的一种关键标准，因为它确保转换器在各种工作条件下都能够正常工作并且输出电压不会低于一定的标准。因此，通过计算最小输出电压，能够评估转换器在不同工作条件下的可靠性和稳定性，为设计和应用提供重要参考。

2.3.2 效率和功耗

使用电流探头测量输入电流和输出电流，并结合输入和输出电压，计算转换器的效率。同时，使用电流探头测量电感的峰峰值电流，并结合输入电压和开关频率，计算转换器的功耗，评估转换器在转换过程中的能量损失情况，从而优化设计以提高效率。功耗的组成部分主要包括场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）驱动损耗、FET 开关损耗、电感损耗、集成电路（Integrated Circuit，IC）损耗以及其他额外的损耗因素。还有一些其他因素可能导致功率损失，如散热器损耗、线路电阻损耗等。考虑这些因素后，负载、工作频率与效率的整体关系如图2 所示。

图2 负载、工作频率与效率关系

由图2 可知，在转换器的运行过程中，负载大小、工作频率与效率之间存在着复杂的相互影响关系。在较低负载下，由于输出功率较低，转换器的固有损耗占比相对较高，如开关损耗等。然而，随着负载的增加，输出功率增加，可以抵消部分固有损耗，提高效率。另外，工作频率的选择也会对效率产生影响。一般来说，较高的工作频率会增加某些损耗，如电感和电容器的损耗，从而降低效率。因此，在转换器设计中需要综合考虑负载大小和工作频率，寻找最佳的工作点，即效率的峰值点，以达到最佳的转换效率。

2.3.3 瞬态响应测试

在负载端施加负载变化，观察输出电压的瞬态响应情况，包括上升时间、下降时间及稳定时间等。通过观察输出电压的变化过程，评估转换器对负载变化的快速响应能力和稳定性，以确保转换器在实际应用中的可靠性。在使用快速开关DC/DC 转换器时，设计人员需要确保电源IC 的误差放大器具有足够的带宽支持高交叉频率。而TPS54160 芯片的误差放大器具有较宽的单位增益频宽，通常为2.7 MHz。实际瞬态响应参数如表3 所示，随着开关频率的增加，电压峰值通常会降低，原因是更宽的带宽使得误差放大器能够更快地响应负载变化，从而减小输出电压的波动。因此，选择具有足够带宽的误差放大器是确保快速开关DC/DC 转换器性能稳定和可靠的因素之一。

表3 瞬态响应参数

3 结 论

文章主要分析和测试高效率DC/DC 转换器在通信电源中的应用。通过对TPS54160 芯片的评估，得出以下结论：在合适的工作频率下，TPS54160 芯片具有最小输出电压，可实现高效率和稳定的输出；同时，观察到较高开关频率下，转换器能够实现较高的效率和较低的功耗；瞬态响应测试表明，TPS54160 芯片能够在负载变化时快速而稳定地调整输出电压，确保系统的稳定性。本研究为高效率DC/DC 转换器在通信电源中的应用提供了重要参考。