隨著Small cell功率密度不斷增高的要求，對Small cell電源的設計帶來了全新的挑戰。提高單級電源效率，提升工作頻率的，提升散熱效率的傳統思路已經不能應對如今Small cell對體積的苛刻要求了。只有改變整個供電的架構，才有可能從根本上來解決體積的問題。

去掉12V的中間級匯流排，直接從48V母線降壓到應用端（5V），是目前最能有效解決體積問題的一個思路。VICOR提供了高效率的48V母線零電壓（ZVS）降壓器，能?明客戶快速的縮小產品體積，可靠的設計整機電源，有效的控制產品成本等優勢。

由於選址難，建站成本和部署成本高等原因，宏站的再選址將是未來LTE部署的大問題。特別是已經高度城市化的大城市城區。而今在覆蓋城區盲點，提高資料輸送量，改善客戶體驗上最有效的辦法就是採用Small cell。 為了配合建築物的整體審美需求，Small cell的體積也在不斷的被壓縮。電源供應器被要求不斷的提高效率，提升頻率，提高散熱效率來壓縮體積。在現有成熟的技術條件下，電源能被壓縮的體積已經不多了。

唯一能快速壓縮體積的辦法就是改掉現有的供電架構。去掉12V的中間母線，從48V母線直接降壓到應用端，節省一級轉換器的空間是現在最有效的壓縮體積的方法。Small cell的核心電源需求之一就是RRU驅動的5V/50W 以及BTS需要的5V/50W。

VICOR的PI354X系列ZVS（零電壓）降壓器的方案，能提供48V母線直接降壓到2.5V，3.3V，5V，12V的高功率（輸出高達10A），高集成度（集成上下管），高效率（48V轉5V最高效率超過93%），小尺寸（10 x 10mm）的解決方案。

傳統Small cell的電源架構

圖一演示了一個傳統的Small cell的電源架構。其中藍色方框的12V部分，只是作為了一個中間匯流排作用，沒有應用端直接用12V供電的情況。48V轉12V大概會佔據到10平方釐米的PCB面積，如果加上散熱，面積會更大一些。要節省出這些面積對於只有機上盒大小，已經多次優化過的成熟的一些Small cell產品來說，是很困難的。現在唯一可行辦法就是去掉中間級12V，從48V直接轉5V，省掉一級電源來節省空間。

但是由於48V直接轉5V有著以下的問題：

A.轉化效率不高（通常在88%上下），B.開關頻率低（通常500K以內），C.電感器巨大等主要原因，採用傳統的同步整流的降壓器結構，不僅不能有效的實現面積減小的訴求，而且會因為效率低下帶來散熱問題，和系統可靠性下降的問題。所以傳統的電源架構只採取2級轉換方式，先從48V轉到12V，再從12V轉到5V。沒有辦法應對Small cell的小體積的訴求。

圖2展示了VICOR的48V轉5V的電源架構，去掉了12V的中間母線。高效率的零電壓開通方式，並且實現了BTS和RRU的分佈供電，PCB占板面積只有4平方釐米。

圖1 : 傳統Small cell的電源架構

圖2 : VICOR的Small cell電源架構

ZVS（零電壓）降壓器與傳統同步整流降壓器的拓撲比較

同步整流的BUCK（降壓）電路，下管因為寄生二極體的原因，實現了零電壓的開通。對上管實現零電壓開通，在高壓（48V母線）輸入的情況下，對提升整體效率，功率密度，提高工作頻率就有很重要的意義。

對硬開關而言，

A .在開通和關斷期間，MOSFET會承受高電流和高電壓的應力，當開關頻率與輸入電壓增高的時候，這些損耗同時增大，限制了可以達到的最高工作頻率，效率和功率密度。

B. 對大功率MOSFET柵極驅動電路內的米勒（Miller）電荷功耗較高，導致柵極驅動損耗也較高。

C. 當上管MOSFET導通和關閉時，高的脈衝電流將會通過下管MOSFET本身寄生的體二極體。體二極體導通的時間越長，反向恢復損耗和體二極體導通損耗便越高。

圖3與圖4分別顯示了VICOR的PI354X系列的高壓（48V母線）的ZVS降壓器與傳統同步整流降壓器在拓撲上的區別。

圖3 : VICOR的ZVS降壓器拓撲

VICOR 的ZVS拓撲的特點：

A. 最高輸入電壓也能高頻率工作。

B. 零電壓諧振軟起動（高效率，低雜訊）。

C. 鉗位元開關，保留ZVS能量。

D. 超短的MOSFET寄生體二極體導通時間。

E. 只需要很小的工作電感。

F. 低的開關和柵極驅動損耗。

G. 輸出紋波為乾淨的正弦波。無毛刺雜訊。

圖4 : 傳統同步整流BUCK電流拓撲

傳統同步整流BUCK電路拓撲缺點如下：

A. 較低的工作頻率（受開關損耗限制），無法有效減小電感的體積。

B. 硬開關（振鈴）的高損耗。

C. 更長的MOSFET寄生體二極體導通時間。

D. 柵極驅動損耗較高。

E. 輸出電感值和體積較大。

F. 輸出紋波有較大雜訊。

圖5/圖6，圖7/圖8從工作波形上分別展示了VICOR 的ZVS-BUCK和傳統的同步整流BUCK 拓撲的優缺點。

圖5 : VICOR ZVS-BUCK波形演示，示意電路圖

圖6 : VICOR的 ZVS-BUCK轉化器的工作波及其優點。

從圖4波形可以很清楚的看到Q1是從零電壓開始導通的。Q1的損耗主要就是RDson造成的。由於Clamp電路的存在，VS在上管開通前沒有發生振盪。有效的把振盪消耗的能力存儲了起來，減小了米勒電荷效應的損耗。而圖8可以看出，硬開關造成的開關損耗，是制約其提高開關頻率，提升效率的瓶頸。

圖7 : 傳統同步整流BUCK的示意圖

圖8 : 傳統同步整流BUCK轉換器的波形及其缺點。

ZVS-BUCK的工作波形以及電感電流詳解

VICOR的ZVS-BUCK的簡易電路如圖五所示，詳細工作波形見圖6。對這個ZVS電路的理解關鍵在於對電感電流的狀態的理解。圖9展示了電感電流在整個工作週期裡面的變化情況。

在Clamp導通的階段，短路了電感，電感電流保持一個恒定值，避免了VS的振盪。在所有管子都關斷的階段，反向的電感電流給Q1充電到Q1的DS電壓為零。為下一階段Q1的零電壓開通創造條件。

圖9 : 電感電流在整個週期不同狀態下的形態

PI3545參考電路以及Layout

圖10 : PI3545 簡單易用的電路圖

在Layout佈局，僅僅需要4 平方釐米的PCB空間；而在48V輸入的時候，最高可以提供高達93%的效率。轉換高效率證明了這個方案在熱處理上的可行性，以及系統的可靠性。

結論

本文主要介紹了傳統電源架構在Small cell應用中面臨的挑戰和問題，以及VICOR公司的ZVS-BUCK新型48V轉5V降壓器帶來的減小產品尺寸，提升效率的特點，解決Small cell體積縮小帶來的挑戰。

（作者毛敏任職於VICOR公司）