高端路由器供电系统的设计

摘 要：本文介绍了分布式供电系统和三种基本的板上DC/DC转换器的结构，分析了其优缺点，在此基础上提出了一台高端路由器供电系统的设计方案，并给出了电源设计框图。
关键词：分布式供电系统；DC/DC转换器；高端路由器
引言
高端路由器是指在Internet骨干网使用、性能优良、具有高密度高速端口和巨大交换容量的新一代路由器产品。它的可扩展性、高速接口、互操作性、QoS能力和可靠性，不仅能为骨干网提供良好的升级、服务质量和故障恢复能力，还能为网络向下一代基于IP的高速骨干网发展奠定良好的基础。
在高端路由器中，供电系统是不可缺少的重要组成部分。供电指标如动态特性、输出电压纹波、地线压差等与高端路由器能否正常工作有着非常密切的关系，其他指标如热插拔、可靠性、易维护性、易于升级、成本是否低廉等也都是供电系统设计中应重点考虑的问题。

分布式供电系统介绍
高端路由器在结构上一般设计成机柜形式，用背板进行信号转接，从而将十几块到几十块具有不同功能的插件卡联系在一起，来完成各种通讯功能。针对这种机械结构，供电系统一般采用48V母线分布式供电结构，先将交流220V转换成直流48V，然后利用DC/DC转换器将48V转换成各插件卡所需的各种工作电压如5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V等。所有DC/DC转换器均与负载设计在一块印制板上或放置在距离负载板非常近的地方，再通过导线连接到负载板上。
这种供电方式的优点为：采用48V电压传送直流电流，母线上电流很小，容易实现插件热插拔，提高系统的可维修性；直流地线与能量输送线相互独立，直流地线上没有大电流通过，有效地减少了系统地线电位差，有利于提高全系统供电的一致性及减少共模传导干扰；电源的稳压输出端非常靠近负载，能获得很高的供电质量。
在分布式供电系统设计中，板上DC/DC转换器的选择和设计是关键的问题。每块负载板都需求多种电源，且各种电源的电流要求大不一样。因此，如何确定DC/DC转换器的形式成为设计中为重要的问题。近年来，电源器件发展相当迅速，各种隔离型转换器、非隔离型转换器、负载点转换器(POL)、VRM、LDO不断推出，为分布式供电系统的普及和发展提供了充足的条件。
下面以3.3V、2.5V、1.8V、1.5V输出为例，简单介绍几种不同形式的板上DC/DC转换器的供电结构。
1. 每路电源输出均采用隔离型转换器，如图1(a)所示。
2. 中间总线变换器之后接非隔离型转换器，如图1(b)所示。
3. 高电压(>2.5V)用隔离型转换器，其他低电压用非隔离型转换器从高电压中转换，如图1(c)所示。
这三种形式的供电结构各有其优缺点：采用宽输入范围、可调节的总线转换器的中间总线结构在成本、占用空间和功耗上代价更高；全部采用隔离型转换器在效率方面，成本较中间总线结构稍低；在某些应用中，当有一个3.3V的大电流电源时，采用3.3V转换器作为总线转换器比全部采用隔离型转换器的成本更低，但在功耗方面稍高；当全部电压都低于2V时，采用隔离型转换器是所有方案中有效的。在实际应用中可根据成本、负载电流的大小、效率、PCB板面积、动态响应和滤波等要求来综合考虑，以获得一个的供电方案。

某高端路由器供电系统设计
设计要求
在某型号高端路由器的设计中，需要给三种插件卡供电，电源需求和功耗估计分别为：
A卡：5V/10A、3.3V/12A、2.5V/10A、1.8V/15A，要求在开机和关机时，3.3V、2.5V和1.8V三种电源均能跟踪5V电源的电压变化，此外还需电源支持热插拔。
B卡：1.8V/20A、3.3V/3A、5V/0.15A、2.5V/1.2A，要求电源支持热插拔。
C卡：5V/3A、3.3V/5A、2.5V/1A，要求电源支持热插拔。
整个路由器由20块插件卡组成，总功耗约1000W左右。
整体设计
供电系统采用48V母线分布式供电方式，由两台AC/DC电源并联工作产生直流48V电源。两台电源互为冗余备份，大大提高了供电系统的可靠性。直流48V电源通过汇流条送到背板上，供给各个插件卡。所有DC/DC转换器均与相应的插件卡做在同一块板上，提供5V、3.3V、2.5V、1.8V等多种电源。
供电设计方案
插件卡A供电
如图2所示，四种电源全部采用48V输入的隔离型电源转换器。
热插拔控制芯片选用凌特公司生产的LT1640L负电压热插拔控制器，通过控制串联在48V母线上的MOSFET，使其缓慢导通或截止从而抑制输入电压和输入电流的变化幅度，保证供电系统的安全性。除了采用LT1640L热插拔控制器外，还使用了一种简单的热插拔控制方法，即在插件卡的金属架上装上一个微型开关，平时该开关是断开的，只有插件插到位以后才闭合。利用该信号去控制电源转换器的开通和关闭，即使MOSFET已经全部导通，但由于微型开关还未闭合，四个电源转换器都无输出电压，从而可以有效地保护负载电路免受冲击而损坏。两种电路相结合可以更好地实现热插拔。实践证明，这种方法简单实用，效果良好。
电源开关机时的电压跟踪功能由一片SMT4004芯片来实现。SMT4004是SUMMIT公司生产的四电压跟踪管理器，可通过编程来实现软启动或电压跟踪功能；能控制四路独立的可达0.9V的电压；总线侧和卡侧的过压和欠压门槛均可编程；带有I2C串联总线接口用来编程、开关机和运行状态监测；有256×8的非易失性EEPROM存储器阵列。在每个电源转换器的正输出端串联一组MOSFET和一个电流检测电阻，然后用SMT4004来分别控制各组MOSFET的开通和关断，实现软启动和电压跟踪功能。
插件卡B供电
如图3所示，3.3V选用48V输入的隔离型转换器。根据图1(c)，1.8V电源应该用非隔离型转换器从3.3V电源获得，但由于其输出电流较大，市场上很难找到能输出20A电流的非隔离型转换器，因此也选用了48V输入的隔离型转换器。2.5V电源选用LDO转换器从3.3V电源获得。5V电源电流很小，采用升压转换器从3.3V电源获得。其他电路如热插拔与插件卡A相同。
插件卡C供电
如图4所示，5V和3.3V选用48V输入的隔离型转换器。2.5V电源选用LDO转换器从3.3V电源获得。其他电路如热插拔与插件卡A相同。

结语
本文对某型号高端路由器的供电系统做了比较详细的介绍。应用结果证明，该供电系统具有供电指标高、动态响应好、地线压差小、输出纹波低、可靠性高、效率高、可维修性好以及支持热插拔等优点，为该高端路由器的正常运行奠定了坚实的基础。■