為5G和下一代電信設(shè)備構(gòu)建更好的-48 VDC電源

摘要

隨著新市場和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，對移動數(shù)據(jù)的需求急劇飆升。除了以更大的密度部署更多蜂窩站點(diǎn)之外，沒有其他解決方案。這些因素將直接影響宏基站、小基站和毫微微基站產(chǎn)品的設(shè)計?，F(xiàn)在的無線電支持多頻段工作，功率放大器(PA)設(shè)計工程師都在設(shè)法將PA的輸出功率推向更高的限值/水平。本文重點(diǎn)討論80 W PA，且系統(tǒng)中包含多個PA的情形。1400 W遠(yuǎn)程無線電單元(RRU)平臺越來越普遍。然而，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商希望這些RRU能夠提高覆蓋密度，同時更節(jié)能、更可靠、更緊湊。負(fù)載點(diǎn)(PoL)需要在寬輸入電壓和寬工作溫度范圍內(nèi)工作，更重要的是必須具有成本效益。但是，對于需要500 W或更高功率的應(yīng)用，由于需要先進(jìn)的控制方案來保持有源鉗位和主開關(guān)柵極驅(qū)動之間的延遲時序，因此在有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，次級電路的磁元件設(shè)計和進(jìn)行傳導(dǎo)損耗管理的難度很大。本文介紹一種可擴(kuò)展且可堆疊的-48 VDC PoL解決方案，它能解決這些高密度網(wǎng)絡(luò)因網(wǎng)絡(luò)流量激增造成的高密度用電情況。

簡介

電信和無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常采用-48 VDC電源運(yùn)行。由于直流電源更簡單，因此可以使用電池構(gòu)建備用電源系統(tǒng)，而無需逆變器。直流電可以儲存在電池中；市電中斷時，可以利用這些電池持續(xù)供電一段時間。然而，-48 VDC必須首先高效地轉(zhuǎn)換為正中間總線電壓，然后經(jīng)過升壓才能為PA供電，或降壓為正工作電源，供數(shù)字基帶單元(BBU)使用。容量為100 W至350 W的電源足以覆蓋許多應(yīng)用需求。正激式轉(zhuǎn)換器是一個不錯的選擇，已廣泛用于電信BBU和RRU很多年。隨著對移動數(shù)據(jù)的需求持續(xù)增長，新市場和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。正激式轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是這些新型無線電設(shè)計的輸出功率要求超過了500 W。本文提出了一種可堆疊和交錯的多相高壓反相降壓-升壓控制器，它能應(yīng)對所有這些需求/挑戰(zhàn)，滿足當(dāng)今5G電信設(shè)備的要求。但首先，-48 VDC從何而來？為什么需要負(fù)電位？

典型電信直流電源系統(tǒng)

電信和無線網(wǎng)絡(luò)通常采用-48 VDC電源運(yùn)行，但為什么呢？簡單來說，選擇-48 VDC（也稱為正極接地系統(tǒng)）的原因是它能提供足夠的功率來支持電信信號，而且在進(jìn)行電信活動時對人體更安全。根據(jù)當(dāng)前的安全法規(guī)和電氣規(guī)范，任何在50 VDC或以下運(yùn)行的電路都是安全的低壓電路。另一個原因是，-48 VDC便于電信運(yùn)營商輕松使用串聯(lián)的12 V鉛酸電池作為備用電源，在電網(wǎng)系統(tǒng)斷電時持續(xù)供電。-48 VDC仍然是提供有線和無線服務(wù)的通信設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，因為人們認(rèn)為與正電壓相比，它對金屬造成的腐蝕更少（或者說至少能抑制電偶腐蝕）。圖1為典型電信直流電源系統(tǒng)的示意圖，重點(diǎn)顯示了-48 VDC的創(chuàng)建和分配方式。電信直流電源系統(tǒng)通常包括：國家電網(wǎng)系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、自主式交流自動切換開關(guān)(ATS)、配電系統(tǒng)、太陽能電池板或電路板、控制器和充電器、整流器、串聯(lián)布置的備用電池，以及相應(yīng)的電纜和斷路器。

圖1.典型電信直流電源系統(tǒng)的示意圖

當(dāng)電網(wǎng)斷電時，柴油發(fā)電機(jī)會自動啟動，為直流端口系統(tǒng)提供交流電源。ATS將供給設(shè)備的不同電源電壓同步。由于現(xiàn)場大多數(shù)電信設(shè)備都需要直流電源，因此來自電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)的交流電通過整流器轉(zhuǎn)換為-48 VDC。這些冗余整流器用于將交流電源轉(zhuǎn)換為-48 VDC電源，從而對電池進(jìn)行涓流充電并支持關(guān)鍵負(fù)載。電池處于浮動狀態(tài)，如果整流器無法提供-48 VDC電源，則電池將為電信設(shè)備或其他負(fù)載提供該電源。BTS或RRH不會注意到實(shí)際電源的差異，一切都保持正常運(yùn)行。當(dāng)電源恢復(fù)時，整流器再次接管。本質(zhì)上，整個發(fā)電廠就像一個大型不間斷電源(UPS)。

正激式轉(zhuǎn)換器的局限性

了解-48 VDC的來源之后，接下來我們討論業(yè)界常用的將-48 VDC轉(zhuǎn)換為正電壓的PoL拓?fù)渲?。許多電信PoL設(shè)計人員使用有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)反相降壓-升壓設(shè)計。此外也使用其他電路形式，例如推挽式、半橋式或全橋式轉(zhuǎn)換器。好處是變壓器泄漏的大部分能量可以通過其近乎無損的回收方法回收。對于PoL設(shè)計人員而言，首先了解有源鉗位復(fù)位固有的基本時序是非常重要的。事實(shí)上，鉗位電容的尺寸選擇不當(dāng)可能會導(dǎo)致PoL占空比增加，進(jìn)而造成變壓器飽和，并對主開關(guān)的長期可靠性造成影響。圖2顯示了傳統(tǒng)的低側(cè)變壓器復(fù)位有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計。變壓器復(fù)位機(jī)制包括CCLAMP和Q1。

圖2.傳統(tǒng)的低側(cè)變壓器復(fù)位鉗位有源正激設(shè)計

與有源鉗位相關(guān)的一些缺點(diǎn)包括需要準(zhǔn)確地確定鉗位電容的大小。電容值越大，產(chǎn)生的電壓紋波越小，但會帶來瞬態(tài)響應(yīng)限制。有源鉗位正激拓?fù)湫枰褂孟冗M(jìn)的控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)有源鉗位和主開關(guān)柵極驅(qū)動之間的延遲時序同步。與有源鉗位相關(guān)的另一個缺點(diǎn)是，如果未能鉗位到某個最大值，增大的占空比可能會導(dǎo)致變壓器飽和，或給主開關(guān)帶來額外的電壓應(yīng)力，這可能造成災(zāi)難性后果。最后，有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器是單級DC-DC轉(zhuǎn)換器。隨著功率水平的提高（例如，5G系統(tǒng)中800 W設(shè)備正在成為常態(tài)），多相設(shè)計將為這些高耗電應(yīng)用帶來更多優(yōu)勢。單相轉(zhuǎn)換器無法提供使用多相交錯操作帶來的任何收益。此外，有源鉗位正激設(shè)計無法將較低輸出功率設(shè)計類似的結(jié)果擴(kuò)展到更高輸出功率。下一節(jié)將介紹反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器MAX15258 。 圖3為5G宏基站或毫微微基站的RRU板電源的典型簡化框圖。熱插拔控制器幾乎普遍放在-48 VDC轉(zhuǎn)換器的前面。全功能-48 VDC熱插拔電源管理器的示例包括ADM1073和LTC4284，都非常適合這些應(yīng)用。

圖3.5G宏基站電源框圖

重點(diǎn)IC器件

MAX15258是一款具有I2C數(shù)字接口的高壓多相升壓控制器，可在單相或雙相升壓/反相-降壓-升壓配置中支持多達(dá)兩個MOSFET驅(qū)動器和四個外部MOSFET。兩個控制器可以堆疊，以構(gòu)成三相或四相配置。該器件以適當(dāng)?shù)南嘁屏框?qū)動各相，盡可能有效地消除紋波。配置為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，MAX15258具有一個內(nèi)部高壓反饋電平轉(zhuǎn)換器，用于對輸出電壓實(shí)施差分檢測。圖4為實(shí)現(xiàn)交錯式兩相反相降壓-升壓設(shè)計的簡化框圖。

圖4.兩相交錯反相降壓-升壓的簡化框圖

借助該IC，與正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計不同，設(shè)計人員在設(shè)計計算步驟中無需考慮可能存在的（15%至20%）相位不平衡。該控制器依靠固定頻率峰值電流模式架構(gòu)來調(diào)節(jié)輸出，這種架構(gòu)可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。器件數(shù)據(jù)手冊中顯示了控制環(huán)路的詳細(xì)框圖。該器件通過RSENSE監(jiān)測每相的低側(cè)MOSFET電流，并使用差分電流檢測信號，以確保在主機(jī)-節(jié)點(diǎn)配置中堆疊兩個MAX15258 IC時實(shí)現(xiàn)正確的有源相電流平衡行為。電流不平衡將作為反饋應(yīng)用于逐周期電流檢測電路，這有助于調(diào)節(jié)，使負(fù)載電流在兩相之間實(shí)現(xiàn)均流。在三相或四相操作中，節(jié)點(diǎn)器件使用差分（CSIO+、CSIO-）信號將其平均電流傳送至主機(jī)控制器。正是這種準(zhǔn)確的電流平衡特性使得MAX15258對PoL設(shè)計人員非常有吸引力。圖5顯示了四相交錯反相降壓-升壓-48 VIN至+48 VOUT 800 W電源，其中CSIO+和CSIO-信號連接兩個控制器。請注意，兩個器件的SYNC引腳也已連接，以確保協(xié)調(diào)相位交錯方案的時鐘同步。

圖5.四相交錯反相降壓-升壓-48 VIN至+48 VOUT 800 W，CSIO+和CSIO-信號連接控制器

同樣，MAX15258本質(zhì)上是一個以相對較低的頻率運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器。這自然會降低開關(guān)損耗，而開關(guān)損耗是這些轉(zhuǎn)換器中最重要的功率損耗因素。該器件支持高達(dá)1 MHz的開關(guān)頻率。在多相操作中，各相并行運(yùn)行，并且都以相同的頻率運(yùn)行（但交錯）?？偟刃ьl率為N × Freq，其中N是相數(shù)，但損耗是每個轉(zhuǎn)換器的頻率損耗。交錯實(shí)現(xiàn)方案會在一定程度上抵消輸出電容的紋波電流。輸入紋波電流大大降低，因此可以使用更小的輸入電感。使用ADI獲得專利的耦合電感(CL)技術(shù)還有助于衰減輸出紋波電流，從而可以使用較便宜且紋波電流額定值較低的電容。這導(dǎo)致效率提高，同時總體PoL PCB尺寸減小。本質(zhì)上，它以很高的等效總頻率提供大量輸出功率，但每個轉(zhuǎn)換器在低損耗區(qū)域以低頻率運(yùn)行。通過這一巧妙設(shè)計，使MAX15258成為-48 VDC轉(zhuǎn)換的先進(jìn)解決方案。

有源鉗位正激拓?fù)湎拗屏藢?shí)現(xiàn)占空比的能力，使得某些VIN和VOUT組合難以工作。隨著電信OEM在同一平臺上組合不同頻段，支持不同PA輸出電壓范圍的能力已成為一項硬性要求。有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器的輸出功率有限。MAX15258滿足IPC9592B引腳間隙或PCB導(dǎo)體間距要求，支持高達(dá)56 V的峰值電壓。IPC9592B標(biāo)準(zhǔn)提供了一個公式來計算30 V至 ~100 V工作電壓下的PWB表面間隙，即：間隙(mm) = 0.1 + VPEAK × 0.01（例如，在56 V情況下，高壓引腳與其他引腳之間的間隙為0.66 mm）。

歸根結(jié)底，有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器需要太多復(fù)雜的步驟才能確保變壓器不會飽和。然而，MAX15258會自動使電壓反相，以非常高的效率提供非常高的輸出功率，并具有出色（更高）的占空比能力。這些特性支持可擴(kuò)展和可堆疊（最多四相）平臺設(shè)計，提供靈活且穩(wěn)定的占空比控制，以適應(yīng)較寬的VIN和VOUT范圍。圖6顯示了基于耦合電感的MAX15258 800 W參考設(shè)計在不同VIN和VOUT條件下的效率曲線。這些曲線清楚地表明，由于傳導(dǎo)損耗較低，效率可達(dá)到98%或更高，非常出色。所有這一切都是以較低的相對BOM成本實(shí)現(xiàn)的。

圖6.MAX15258 CL 800 W參考設(shè)計在不同VIN和VOUT條件下的效率曲線

通過I2C數(shù)字接口，用戶可以從MAX15258讀回大量遙測信息，包括VIN、VOUT、相電流和故障狀態(tài)。

此外，輸出電壓可以通過數(shù)字接口動態(tài)設(shè)置。圖7a顯示了MAX15258 CL 800 W參考設(shè)計在-48 VIN和+48 VOUT (16 A IOUT)條件下，以穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流工作時測得的伯德圖。結(jié)果顯示，相位裕量為74.4°，增益裕量為-20.7 dB。圖7b顯示了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線?？梢杂^察到，開關(guān)邊沿非常干凈，過沖幾乎為零，振鈴為零。

圖7.(a) 以穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流工作時測得的伯德圖；(b) 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：Ch3—VOUT (AC)，1 V/div；Ch2—ILOAD，10 A/div。

結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將不得不在更多的地方，以超越以往的更快速度安裝更多小型基站。當(dāng)然，這些產(chǎn)品中的PoL需要非常高效，額定電源轉(zhuǎn)換效率至少要達(dá)到98%。MAX15258高壓反相降壓-升壓控制器設(shè)計具有高性價比、高效率且可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，允許在同一PCB布局上輕松添加和刪除相位。這些優(yōu)勢有助于電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員提高電源轉(zhuǎn)換效率。ADI公司將繼續(xù)應(yīng)對這些難題和類似的挑戰(zhàn)，充分運(yùn)用電源架構(gòu)方面的豐富專業(yè)知識，面向5G市場開發(fā)更多的-48 VDC高功率轉(zhuǎn)換解決方案。