GPON系统的电源设计及应用

摘要：本文对GPON系统的电源设计及应用做了一些介绍。就GPON系统中对电源的启动时序，基于AOZ1050给出了一些参数的设计，并且 给出了实际的测试波形及系统的实际波特图另外，介绍了AOZ1050/1051的“打嗝”模式的过流保护的原理及优点。

关键词：GPON；电源；上电时序；过流保护；AOZ1050/1051；AOS

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.10.010

随着网络技术的不断发展，对网络带宽的要求也随之提高。光纤传输也逐渐取代电缆传输被普及，那么GPON（Gigabit-Capable PON）技术作为最新一代宽带无源光综合接入标准，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。

目前，GPON系统的供电电源一般采用Buck（降压型）拓扑结构。本文将采用目前两款被广泛应用在GPON系统的典型降压型电源芯片来介绍其应用。

AOZ1050/AOZ1051是集成度较高的同步整流电流型Buck芯片，两个低Rdson的MOSFET-整流管（PMOS）和续流管（NMOS）被集成在芯片内，最高工作效率可达95%。由于芯片具有较高的工作频率-500kHz，这样就会减小对电感的尺寸要求。另外，高的工作频率可以减小输出的电压纹波，所以，输出电容的容值和尺寸也可以适当的减小。这样，在排列相对密集的系统板上，很大程度节省了空间，也可以减少成本。AOZ1050/AOZ1051的环路补偿引脚外置，这样就可以根据不同的应用条件灵活地调节系统的稳定性和带宽。AOZ1050/AOZ1051的反馈脚电压是0.8V，对于不同输出电压可以基于0.8V选择合适阻值的分压电阻获得。另外，AOZ1050/AOZ1051有软启动的功能，使用者可以通过改变外置的软起动电容来实现合适的输出电压启动时间，软起动功能还可以抑制电源启动时输入的冲击电流。芯片的使能端（EN）是高有效，可以灵活有效地控制电源芯片的开和关，系统的可控性更强。AOZ1050/AOZ1051还有短路保护和过温度保护的功能，可以使系统工作更加安全可靠。图1是AOZ1050/AOZ1051的应用示意图。

AOZ1050与AOZ1051的区别在于AOZ1050的最大持续供电电流是2A，而AOZ1051是3A，使用者可以根据不同的系统要求来选择合适的电源芯片。下面我们以AOZ1051为例，讨论AOZ1051在基于BROADCOM主芯片的GPON系统上的应用。

在此GPON系统的主芯片的供电电源应用中，电源的输入电压为12V，提供的输出电压一般分为1.2V，1.8V，2.5V，3.3V，5V。其中，1.2V，1.8V，2.5V，3.3V为主芯片供电，1.2V，3.3V电压由两颗AOZ1051提供，1.8V由3.3V通过一颗AOS的AOZ1605（低轻载损耗的同步整流buck变换器）获得，2.5V由3.3V通过PNP三极管提供。5V为USB口供电，由一颗AOZ1050提供。图2为电源系统的框架图。

图1 AOZ1050/AOZ1051应用示意图

图2 电源系统框架图

表1 输出电压上电的时序参数

表2 AOZ1051器件

表3 上电时序的实际测试结果

图3 输出电压上电时序示意图

图4 AOZ1051上电时序测试波形

其中，1.2V，2.5V，3.3V有着启动时序的要求。图3是时序示意图。

由于对AOZ1051的启动时序有着严格的要求，那么我们可以通过改变软起动电容来满足启动时序的要求。

首先对AOZ1050/AOZ1051的软起动功能的实现做一下介绍。软起动的目的是当输入电压启动时，使输出电压更加平滑，单调。另外，减少输入的冲击电流。如果没有软起动功能，由于反馈误差放大器的基准远远早于输出电压建立，那么放大器的输出电压（COMP）电压达到最高值。这时，电源的占空比达到最大值，输出电压迅速上升。这会造成输出电压有很大的过冲电压，损坏电感。另外，由于电源的占空比达到最大值，芯片工作在PWM所决定的最大电流值，大的电流应力会造成芯片发热损坏。软起动的功能都是通过控制启动时的占空比，使占空比逐渐增大来实现的。所以，选择合适的软起动电容，可以有效地调整和控制输出电压的上电时间。

根据表1的时序要求，选择AOZ1051的参数。

基于表2中的AOZ1051的参数进行实际测试，实际测试波形见图4。

图4中，通道2（蓝色）：2.5V；通道3（紫色）：1.2V；通道3（黄色）：3.3V。

表3中记录了实测结果。经过实际测试，表2中AOZ1051参数的选择可以满足基于主芯片BCM68XX的GPON系统的上电时序要求。

根据表2中的参数，进行环路稳定性测试。图5和图6，分别为1.2V、3.3V输出实测的波特图，测试结果证明，系统稳定性和动态响应满足要求。

另外，值得注意的是系统实际工作中，可能会有各种异常状况出现。这些异常情况可能会导致过载甚至短路，这就需要电源芯片具有安全有效的保护功能防止系统和芯片自身的损坏。那么，下面对AOZ1050/AOZ1051过流保护功能做一下详细的介绍。

AOZ1051的输出过载和短路保护功能是通过控制COMP电压来实现的，如果输出过载或者短路，那么误差放大器的输出（COMP）电压将会上升，当COMP电压达到2V时，芯片内的整流管被关断，同时软起动电容开始放电的，当软起动电容的电压为0时，芯片复位结束，重新起动，如果此时输出仍处于短路或过载状态，那么AOZ1051重复上述动作。这种保护方式被称作“打嗝”。这种方式可以防止系统在高电压输入，低电压大电流输出时，由于电感电流无法复位而造成的饱和，损坏芯片。这是因为，在高压输入，低压输出的条件下，由于占空比很小，上管导通时间很短。当上管（整流管）所需的导通时间被芯片本身允许的最小导通时间限制时（即实际的占空比大于系统正常工作所需的占空比），电感的伏秒平衡被打破，电感电流无法复位。另外，由于芯片的最小导通时间与芯片过流保护的延迟时间相当。所以，此时普通的cycle by cycle模式的过流保护已经无法有效对电流进行限制，见图7。图中，t1为整流管实际所需的导通时间，t2为芯片的最小导通限制时间，IL为电感电流，Vgs为整流管驱动电压。这就导致电感电流逐周期递增，最终使电感饱和，损坏芯片。

AOZ1051的“打嗝”模式的过载保护电路是利用环路中电感电流对COMP电压的影响，安全有效地关断芯片。即当电感电流增加时，COMP电压随之增加，当COMP电压到达2V时，芯片的整流管，续流管全部关断，芯片复位。经过一段时间（软起动电容的放电时间）后，AOZ1051重新启动。这样，可以确保电感电流复位完成，实现安全可靠的过流保护，见图8。图中，t1为整流管实际所需的导通时间，t2为芯片的最小导通限制时间，t3为软起动电容的放电时间，IL为电感电流，Vgs为整流管驱动电压

综上所述，AOZ1050/AOZ1051的软起动功能可以灵活有效地调整起动时间，而且使起动电压更加平滑。环路补偿引脚（CO M P）外置可以使芯片稳定工作在不同的应用条件下。另外，AOZ1050/ AOZ1051的“打嗝”模式的过流保护功能可以保证系统工作更加安全，可靠。

图5 1.2V输出波特图

图6 3.3V输出波特图

图7 cycle by cycle模式的过流保护在最小导通时间限制时的电感电流

图8 “打嗝”模式的过流保护在最小导通时间限制时的电感电流