随着Small cell功率密度不断增高的要求，对Small cell电源的设计带来了全新的挑战。提高单级电源效率，提升工作频率的，提升散热效率的传统思路已经不能应对如今Small cell对体积的苛刻要求了。只有改变整个供电的架构，才有可能从根本上来解决体积的问题。
去掉12V的中间级汇流排，直接从48V母线降压到应用端（5V），是目前最能有效解决体积问题的一个思路。 VICOR提供了高效率的48V母线零电压（ZVS）降压器，能?明客户快速的缩小产品体积，可靠的设计整机电源，有效的控制产品成本等优势。
由于选址难，建站成本和部署成本高等原因，宏站的再选址将是未来LTE部署的大问题。特别是已经高度城市化的大城市城区。而今在覆盖城区盲点，提高资料输送量，改善客户体验上最有效的办法就是采用Small cell。为了配合建筑物的整体审美需求，Small cell的体积也在不断的被压缩。电源供应器被要求不断的提高效率，提升频率，提高散热效率来压缩体积。在现有成熟的技术条件下，电源能被压缩的体积已经不多了。
唯一能快速压缩体积的办法就是改掉现有的供电架构。去掉12V的中间母线，从48V母线直接降压到应用端，节省一级转换器的空间是现在最有效的压缩体积的方法。 Small cell的核心电源需求之一就是RRU驱动的5V/50W 以及BTS需要的5V/50W。
VICOR的PI354X系列ZVS（零电压）降压器的方案，能提供48V母线直接降压到2.5V，3.3V，5V，12V的高功率（输出高达10A），高集成度（集成上下管），高效率（48V转5V最高效率超过93%），小尺寸（10 x 10mm）的解决方案。
传统Small cell的电源架构
图一演示了一个传统的Small cell的电源架构。其中蓝色方框的12V部分，只是作为了一个中间汇流排作用，没有应用端直接用12V供电的情况。 48V转12V大概会占据到10平方厘米的PCB面积，如果加上散热，面积会更大一些。要节省出这些面积对于只有机上盒大小，已经多次优化过的成熟的一些Small cell产品来说，是很困难的。现在唯一可行办法就是去掉中间级12V，从48V直接转5V，省掉一级电源来节省空间。
但是由于48V直接转5V有着以下的问题：
A.转化效率不高（通常在88%上下），B.开关频率低（通常500K以内），C.电感器巨大等主要原因，采用传统的同步整流的降压器结构，不仅不能有效的实现面积减小的诉求，而且会因为效率低下带来散热问题，和系统可靠性下降的问题。所以传统的电源架构只采取2级转换方式，先从48V转到12V，再从12V转到5V。没有办法应对Small cell的小体积的诉求。
图2展示了VICOR的48V转5V的电源架构，去掉了12V的中间母线。高效率的零电压开通方式，并且实现了BTS和RRU的分布供电，PCB占板面积只有4平方厘米。
| 圖2 : VICOR的Small cell電源架構 |
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ZVS（零电压）降压器与传统同步整流降压器的拓扑比较
同步整流的BUCK（降压）电路，下管因为寄生二极体的原因，实现了零电压的开通。对上管实现零电压开通，在高压（48V母线）输入的情况下，对提升整体效率，功率密度，提高工作频率就有很重要的意义。
对硬开关而言，
A .在开通和关断期间，MOSFET会承受高电流和高电压的应力，当开关频率与输入电压增高的时候，这些损耗同时增大，限制了可以达到的最高工作频率，效率和功率密度。
B. 对大功率MOSFET闸极驱动电路内的米勒(Miller)电荷功耗较高,导致栅极驱动损耗也较高。
C. 当上管MOSFET导通和关闭时，高的脉冲电流将会通过下管MOSFET本身寄生的体二极体。体二极体导通的时间越长，反向恢复损耗和体二极体导通损耗便越高。
图3舆图4分别显示了VICOR的PI354X系列的高压(48V母线)的ZVS降压器与传统同步整流降压器在拓扑上的区别。
VICOR 的ZVS拓扑的特点：
A. 最高输入电压也能高频率工作。
B. 零电压谐振软起动（高效率，低杂讯）。
C. 钳位元开关，保留ZVS能量。
D. 超短的MOSFET寄生体二极体导通时间。
E. 只需要很小的工作电感。
F. 低的开关和栅极驱动损耗。
G. 输出纹波为干净的正弦波。无毛刺杂讯。
传统同步整流BUCK电路拓扑缺点如下：
A. 较低的工作频率（受开关损耗限制），无法有效减小电感的体积。
B. 硬开关（振铃）的高损耗。
C. 更长的MOSFET寄生体二极体导通时间。
D. 栅极驱动损耗较高。
E. 输出电感值和体积较大。
F. 输出纹波有较大杂讯。
图5/图6，图7/图8从工作波形上分别展示了VICOR 的ZVS-BUCK和传统的同步整流BUCK 拓扑的优缺点。
| 圖5 : VICOR ZVS-BUCK波形演示，示意電路圖 |
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| 圖6 : VICOR的 ZVS-BUCK轉化器的工作波及其優點。 |
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从图4波形可以很清楚的看到Q1是从零电压开始导通的。 Q1的损耗主要就是RDson造成的。由于Clamp电路的存在，VS在上管开通前没有发生振荡。有效的把振荡消耗的能力存储了起来，减小了米勒电荷效应的损耗。而图8可以看出，硬开关造成的开关损耗，是制约其提高开关频率，提升效率的瓶颈。
| 圖8 : 傳統同步整流BUCK轉換器的波形及其缺點。 |
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ZVS-BUCK的工作波形以及电感电流详解
VICOR的ZVS-BUCK的简易电路如图五所示，详细工作波形见图6。对这个ZVS电路的理解关键在于对电感电流的状态的理解。图9展示了电感电流在整个工作周期里面的变化情况。
在Clamp导通的阶段，短路了电感，电感电流保持一个恒定值，避免了VS的振荡。在所有管子都关断的阶段，反向的电感电流给Q1充电到Q1的DS电压为零。为下一阶段Q1的零电压开通创造条件。
PI3545参考电路以及Layout
在Layout布局，仅仅需要4 平方厘米的PCB空间；而在48V输入的时候，最高可以提供高达93%的效率。转换高效率证明了这个方案在热处理上的可行性，以及系统的可靠性。
结论
本文主要介绍了传统电源架构在Small cell应用中面临的挑战和问题，以及VICOR公司的ZVS-BUCK新型48V转5V降压器带来的减小产品尺寸，提升效率的特点，解决Small cell体积缩小带来的挑战。
（作者毛敏任职于VICOR公司）
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