节省基站功耗的低压差(0V)稳压器
电信基站等设备需要多路供电电源，以满足不同的输出电压、输出电流要求。机房的主电源通常先被转换为+48v或-48v直流电源，然后根据需要传送到各个系统设备，最后再转换成较低等级的电源电压。
常见的设计方案是利用电源模块或现成的转换器(砖)将48vdc(或-48vdc)电源转换到一个较低的电源电压，然后再由电源模块或pcb板上电路将其转换为要求的各种电压。一个典型例子是，从48v输入转换到8.5v，通常这个8.5v与48v输入是电气隔离的。
将8.5v电源分别转换成用于rf功率放大器的7.5v(基站设备)和用于逻辑电路的5v、3.3/3v，或用于fpga、处理器核的1.8v电压。考虑到系统所要求的供电电流和功耗指标，采用开关模式降压转换技术从8.5v产生较低的电源，而对于rf级的7.5v电源则大多采用 低压差线性稳压器(ldo)实现，以满足射频电路的低噪声要求。
线性稳压器会根据输出电压的要求调整输入与输出的压差，因而要消耗一定的功率(电流与输入/输出压差的乘积)，表现为调整管的热耗。为了提高散热能力，设计人员不得不折中考虑输入/输出压差、功率耗散、调整管选择等因素，以便在规定的负载电流和输入电压范围内可靠地工作在线性区(非饱和、截止)。在本文介绍的电路中，输入电源电压随着系统负载的变化量可能达到100mv，压差可能达到900mv，由此可见，8.5v的电源电压刚好满足要求。本例中标称压差1v刚好能够接受。
多数所谓的ldo其实际压差会高于1v，因此这些器件需要输入与输出之间保持更大的压差裕量。对于1v压差，调整管上的功耗为1v×10a=10w。如此大的功耗要求系统提供合理的热管理方案，并因此会增加小型散热器及相关材料成本和装配时间。如图1所示，采用6.8ºc/w典型系数的散热器(比如aavid thermalloy公司的散热器)和to-220封装的的温升将高出室温68ºc左右(为简化起见，忽略rθjc降额系数及其它热阻的影响)。考虑到机架内部其它功率元件，其内部温度通常要高于外部环境温度，散热片甚至可能工作在100ºc以上。为了保证系统可靠工作，这种情况下显然无法使用更小的散热片。
图1：典型的6.8ºc/w散热器。
设计中需要低rds 场效应管(fet)，以降低串联调整管的压降，从极性考虑要求使用p沟道器件。而具有相同架构的p沟道fet其导通电阻可能是n沟道fet导通电阻的两倍以上，另外，p沟道fet的价格也比较高。
为便于比较，我们可以考察一下国际整流器公司(ir)的p沟道管irf9z34n和n沟道管irfz34，二者的击穿电压均为55v。100ºc时，p沟道器件的导通电阻为100mω，可承载12a电流;而n沟道器件的导通电阻仅为40mω，可承载电流为18a。p沟道器件的价格大约贵两倍。
提供10a峰值电流时，p沟道fet的导通压降是1v，而具有40mω rdson的n沟道fet的导通压降为400mv。另一种选择是使用 pnp晶体管，但即使是这样，集电极与发射极之间的饱和压降也会达到200mv。还可以选择性能超过双极性技术的超低rdson n沟道fet，但这种器件需要更高的栅极驱动电压。如果能够找到驱动超低rdson n沟道fet的方法的话，上述问题将迎刃而解。
这也正是开关模式转换器所面临的一个设计挑战，为了驱动超低rdson n沟道fet，可以采用电压自举技术：将一个动态开关电压通过二极管进行交流耦合，再对储能电容充电，就可得到高于输出电压的n沟道fet栅极驱动电压。如果电路板或电源模块内含有降压转换器，则可利用其开关信号产生线性稳压器所需的栅极驱动电压。
也就是说，我们可以将降压转换器的开关节点连接到简单的倍压电路。常见的倍压电路是半波系列乘法器，也称作维拉德(villard)级联电路(图2)。幅度为±us的交流电压作用到该电路可以获得4倍的输出，即输出端得到4us。
开关电压相对于地电平的摆幅为us时，该电路可产生4us的输出，而降压转换器开关节点的摆幅大约为vin至地电平。因此如果降压转换器的供电电压为8.5v，则其进入电感的开关电压为0v至+8.5v，得出us=4.25v，如图2所示。
图2：(a) villard级联倍压电路;(b) 倍压电路输入为+v，开关幅度为+v，产生2倍(+v)输出。
如果考虑转换器的占空比，则需作进一步的复杂计算，因为占空比与输入、输出电压比和负载有关，为便于讨论，我们假设占空比为50%，可以利用图2电路获得大约17v的电压。需要输出更高电压时，可以级联更多的倍压单元电路，一级倍压使用两个二极管和两个电容，可产生低电流直流输出(图2a)。
我们可以将上述电路产生的17v dc应用到一个简单的低电流线性稳压器(如max1616)，目的是为低rdson n沟道fet提供栅极驱动。fet器件采用8.5v供电，输出7.5v为rf放大器供电，通过电位器分压反馈网络调节线性稳压器输出。该电路利用max5060评估板、max1616线性稳压器、n沟道功率mosfet以及相关的其它元件进行了测试，简化原理图如图3所示，实际电路如图4所示。
图3：零压差稳压电路框图。
电路工作原理
max5060evkit降压转换器可产生3.3v电压，输出电流达20a，开关频率约为270khz，由12v输入产生3.3v输出。由于图4电路工作在轻载条件下，负载电流只有1a，作用在电感上的电压波形占空比为25%，摆幅介于地电平和12v之间。利用该开关电压驱动倍压电路，可以在线性稳压器(max1616)的输入端得到大约24v的直流电压。实际倍压输出为22.7v，能够为线性稳压器提供足够的驱动。线性稳压器的输出可驱动低rdson n沟道fet(irfz24n)的栅极。
利用一个可调电源为场效应管供电，从而允许根据输入、输出电压的范围调节压降。fet的栅极由max1616 ldo的22v输出驱动，并在分压网络r1的电压达到1.24v之前始终将场效应管驱动在导通状态，随后关闭fet驱动器，使稳压器保持平衡。
电阻r2和电容c2通过抑制高速瞬态响应和噪声来控制环路的动态特性。电阻r2还可作为线性稳压器的自身负载吸收fet关闭时的电流。通过选择分压网络的电阻比设置输出电压值。在该应用中，r1选用250kω电位器，因此能让max1616的输出摆幅从1.25v上升到22v以上。
在不同输入电压、负载下观察fet栅极驱动电压的跌落测量压差，由此确定电路进入闭环控制的工作点。一旦栅极驱动跌落到max1616 ldo所能提供的22v以下，电路将进入稳压调整状态。测量调整管两端的输入、输出电压之差，可以确定电源电压、负载变化范围内的压降。
这种方法已经被证明是确定线性调整管压降的行之有效的途径，它从侧面反映了mosfet的rdson，图5以表格和图形的方式给出了对该电路的性能测试结果。
本文小结
图4所示电路提供了一个零压差稳压器(zdo)，可利用n沟道、低rdson fet实现，mosfet的栅极通过倍压电路驱动。降低输出负载会减小输入、输出之间的压差，空载时达到零。大电流应用中，该电路能够降低稳压过程中的调整管损耗，进而降低对散热器及其他热管理技术的要求。
图4：零压差(zdo)电路原理图。
基站系统的ldo要求1v的压差裕量，采用zdo可大大降低这一裕量，对于需要10a输出电流的应用，可以选择具有极低rdson的场效应管irf1324，其rdson低于1mω，利用该fet构建的zdo理想情况下的压差为每安培1mv。
在本文提供的例子中，所使用的fet即使在最糟糕的工作条件下也能有效降低调整管的功耗，考虑到负载变化及其他因素的影响，只需100mv的压差裕量，再加上fet rdson需要的10mv压差，可以将原来的8.5v中间电压降至7.61v。总压差为110mv，10a电流对应的功耗为1.1w，节省大约9w的功率。利用表面贴装器件可直接通过pcb的覆铜区域散热，因此可以很容易解决热管理问题。总之，使用irf1324可省去散热器，降低成本，简化安装过程，并为系统节省9w的能耗。
图5：图4所示zdo电路的测试结果。
zdo还可用于电池供电系统，系统所能提供的压差裕量会随着电池的工作电压而发生显著变化，zdo在这样的系统可有效延长电池的工作时间。
表1：零压差稳压器电路的主要性能。
备注
本电路只是原理电路，只在直流轻载下进行过测试。读者可以对其作进一步的开发，以优化动态负载响应及低输入/输出压差特性。
微软Copilot与Suno合作推出音乐创作功能，但无法生成音频
性能强悍、体验出色，2k机皇iQOO Neo3价格公布，仅需2698
中国药科大学在教室试点安装人脸识别系统
MicroVac卡盘提高薄型高功率RF器件的良率和测试精度
最新2018光伏系统非典型性问题汇总
节省基站功耗的低压差(0V)稳压器
DPU技术发展及落地实战
【涨姿势】了解ESD标准在汽车电子设计中的重要性
图解路由器处理报文过程
共射极放大电路设计步骤
Linux系统下Ubuntu 16.04 LTS 32bit 英文版的RT-Thread开发环境搭建
抢占新兴市场大蛋糕,PCB概念股迎来风口
NodeMCU板上的基本MQTT协议用法
人工智能将成为城市治理的核心和大脑
e络盟扩大库存,可提供8万余种连接器及电缆产品
英特尔无线蓝牙设备无法启动代码10
AT89C52单片机的调频台控制设计
移动5G毫米波在哪个频段
Google Ads为外贸企业打造高效推广方式，助力跨境电商品牌出海
32位MCU专业的解决方案有哪些-新唐MCU想你所需！
常见的设计方案是利用电源模块或现成的转换器(砖)将48vdc(或-48vdc)电源转换到一个较低的电源电压，然后再由电源模块或pcb板上电路将其转换为要求的各种电压。一个典型例子是，从48v输入转换到8.5v，通常这个8.5v与48v输入是电气隔离的。
将8.5v电源分别转换成用于rf功率放大器的7.5v(基站设备)和用于逻辑电路的5v、3.3/3v，或用于fpga、处理器核的1.8v电压。考虑到系统所要求的供电电流和功耗指标，采用开关模式降压转换技术从8.5v产生较低的电源，而对于rf级的7.5v电源则大多采用 低压差线性稳压器(ldo)实现，以满足射频电路的低噪声要求。
线性稳压器会根据输出电压的要求调整输入与输出的压差，因而要消耗一定的功率(电流与输入/输出压差的乘积)，表现为调整管的热耗。为了提高散热能力，设计人员不得不折中考虑输入/输出压差、功率耗散、调整管选择等因素，以便在规定的负载电流和输入电压范围内可靠地工作在线性区(非饱和、截止)。在本文介绍的电路中，输入电源电压随着系统负载的变化量可能达到100mv，压差可能达到900mv，由此可见，8.5v的电源电压刚好满足要求。本例中标称压差1v刚好能够接受。
多数所谓的ldo其实际压差会高于1v，因此这些器件需要输入与输出之间保持更大的压差裕量。对于1v压差，调整管上的功耗为1v×10a=10w。如此大的功耗要求系统提供合理的热管理方案，并因此会增加小型散热器及相关材料成本和装配时间。如图1所示，采用6.8ºc/w典型系数的散热器(比如aavid thermalloy公司的散热器)和to-220封装的的温升将高出室温68ºc左右(为简化起见，忽略rθjc降额系数及其它热阻的影响)。考虑到机架内部其它功率元件，其内部温度通常要高于外部环境温度，散热片甚至可能工作在100ºc以上。为了保证系统可靠工作，这种情况下显然无法使用更小的散热片。
图1：典型的6.8ºc/w散热器。
设计中需要低rds 场效应管(fet)，以降低串联调整管的压降，从极性考虑要求使用p沟道器件。而具有相同架构的p沟道fet其导通电阻可能是n沟道fet导通电阻的两倍以上，另外，p沟道fet的价格也比较高。
为便于比较，我们可以考察一下国际整流器公司(ir)的p沟道管irf9z34n和n沟道管irfz34，二者的击穿电压均为55v。100ºc时，p沟道器件的导通电阻为100mω，可承载12a电流;而n沟道器件的导通电阻仅为40mω，可承载电流为18a。p沟道器件的价格大约贵两倍。
提供10a峰值电流时，p沟道fet的导通压降是1v，而具有40mω rdson的n沟道fet的导通压降为400mv。另一种选择是使用 pnp晶体管，但即使是这样，集电极与发射极之间的饱和压降也会达到200mv。还可以选择性能超过双极性技术的超低rdson n沟道fet，但这种器件需要更高的栅极驱动电压。如果能够找到驱动超低rdson n沟道fet的方法的话，上述问题将迎刃而解。
这也正是开关模式转换器所面临的一个设计挑战，为了驱动超低rdson n沟道fet，可以采用电压自举技术：将一个动态开关电压通过二极管进行交流耦合，再对储能电容充电，就可得到高于输出电压的n沟道fet栅极驱动电压。如果电路板或电源模块内含有降压转换器，则可利用其开关信号产生线性稳压器所需的栅极驱动电压。
也就是说，我们可以将降压转换器的开关节点连接到简单的倍压电路。常见的倍压电路是半波系列乘法器，也称作维拉德(villard)级联电路(图2)。幅度为±us的交流电压作用到该电路可以获得4倍的输出，即输出端得到4us。
开关电压相对于地电平的摆幅为us时，该电路可产生4us的输出，而降压转换器开关节点的摆幅大约为vin至地电平。因此如果降压转换器的供电电压为8.5v，则其进入电感的开关电压为0v至+8.5v，得出us=4.25v，如图2所示。
图2：(a) villard级联倍压电路;(b) 倍压电路输入为+v，开关幅度为+v，产生2倍(+v)输出。
如果考虑转换器的占空比，则需作进一步的复杂计算，因为占空比与输入、输出电压比和负载有关，为便于讨论，我们假设占空比为50%，可以利用图2电路获得大约17v的电压。需要输出更高电压时，可以级联更多的倍压单元电路，一级倍压使用两个二极管和两个电容，可产生低电流直流输出(图2a)。
我们可以将上述电路产生的17v dc应用到一个简单的低电流线性稳压器(如max1616)，目的是为低rdson n沟道fet提供栅极驱动。fet器件采用8.5v供电，输出7.5v为rf放大器供电，通过电位器分压反馈网络调节线性稳压器输出。该电路利用max5060评估板、max1616线性稳压器、n沟道功率mosfet以及相关的其它元件进行了测试，简化原理图如图3所示，实际电路如图4所示。
图3：零压差稳压电路框图。
电路工作原理
max5060evkit降压转换器可产生3.3v电压，输出电流达20a，开关频率约为270khz，由12v输入产生3.3v输出。由于图4电路工作在轻载条件下，负载电流只有1a，作用在电感上的电压波形占空比为25%，摆幅介于地电平和12v之间。利用该开关电压驱动倍压电路，可以在线性稳压器(max1616)的输入端得到大约24v的直流电压。实际倍压输出为22.7v，能够为线性稳压器提供足够的驱动。线性稳压器的输出可驱动低rdson n沟道fet(irfz24n)的栅极。
利用一个可调电源为场效应管供电，从而允许根据输入、输出电压的范围调节压降。fet的栅极由max1616 ldo的22v输出驱动，并在分压网络r1的电压达到1.24v之前始终将场效应管驱动在导通状态，随后关闭fet驱动器，使稳压器保持平衡。
电阻r2和电容c2通过抑制高速瞬态响应和噪声来控制环路的动态特性。电阻r2还可作为线性稳压器的自身负载吸收fet关闭时的电流。通过选择分压网络的电阻比设置输出电压值。在该应用中，r1选用250kω电位器，因此能让max1616的输出摆幅从1.25v上升到22v以上。
在不同输入电压、负载下观察fet栅极驱动电压的跌落测量压差，由此确定电路进入闭环控制的工作点。一旦栅极驱动跌落到max1616 ldo所能提供的22v以下，电路将进入稳压调整状态。测量调整管两端的输入、输出电压之差，可以确定电源电压、负载变化范围内的压降。
这种方法已经被证明是确定线性调整管压降的行之有效的途径，它从侧面反映了mosfet的rdson，图5以表格和图形的方式给出了对该电路的性能测试结果。
本文小结
图4所示电路提供了一个零压差稳压器(zdo)，可利用n沟道、低rdson fet实现，mosfet的栅极通过倍压电路驱动。降低输出负载会减小输入、输出之间的压差，空载时达到零。大电流应用中，该电路能够降低稳压过程中的调整管损耗，进而降低对散热器及其他热管理技术的要求。
图4：零压差(zdo)电路原理图。
基站系统的ldo要求1v的压差裕量，采用zdo可大大降低这一裕量，对于需要10a输出电流的应用，可以选择具有极低rdson的场效应管irf1324，其rdson低于1mω，利用该fet构建的zdo理想情况下的压差为每安培1mv。
在本文提供的例子中，所使用的fet即使在最糟糕的工作条件下也能有效降低调整管的功耗，考虑到负载变化及其他因素的影响，只需100mv的压差裕量，再加上fet rdson需要的10mv压差，可以将原来的8.5v中间电压降至7.61v。总压差为110mv，10a电流对应的功耗为1.1w，节省大约9w的功率。利用表面贴装器件可直接通过pcb的覆铜区域散热，因此可以很容易解决热管理问题。总之，使用irf1324可省去散热器，降低成本，简化安装过程，并为系统节省9w的能耗。
图5：图4所示zdo电路的测试结果。
zdo还可用于电池供电系统，系统所能提供的压差裕量会随着电池的工作电压而发生显著变化，zdo在这样的系统可有效延长电池的工作时间。
表1：零压差稳压器电路的主要性能。
备注
本电路只是原理电路，只在直流轻载下进行过测试。读者可以对其作进一步的开发，以优化动态负载响应及低输入/输出压差特性。
微软Copilot与Suno合作推出音乐创作功能，但无法生成音频
性能强悍、体验出色，2k机皇iQOO Neo3价格公布，仅需2698
中国药科大学在教室试点安装人脸识别系统
MicroVac卡盘提高薄型高功率RF器件的良率和测试精度
最新2018光伏系统非典型性问题汇总
节省基站功耗的低压差(0V)稳压器
DPU技术发展及落地实战
【涨姿势】了解ESD标准在汽车电子设计中的重要性
图解路由器处理报文过程
共射极放大电路设计步骤
Linux系统下Ubuntu 16.04 LTS 32bit 英文版的RT-Thread开发环境搭建
抢占新兴市场大蛋糕,PCB概念股迎来风口
NodeMCU板上的基本MQTT协议用法
人工智能将成为城市治理的核心和大脑
e络盟扩大库存,可提供8万余种连接器及电缆产品
英特尔无线蓝牙设备无法启动代码10
AT89C52单片机的调频台控制设计
移动5G毫米波在哪个频段
Google Ads为外贸企业打造高效推广方式，助力跨境电商品牌出海
32位MCU专业的解决方案有哪些-新唐MCU想你所需！