如何利用數(shù)字電源優(yōu)化基站系統(tǒng)

基站電源工程師面臨著眾多的設(shè)計挑戰(zhàn)，無線運(yùn)營商希望他們降低功耗并減小系統(tǒng)體積，子系統(tǒng)供電還要求一定的排序、監(jiān)測、裕量調(diào)節(jié)等復(fù)雜任務(wù)。為最大程度地滿足上述應(yīng)用需求，設(shè)計人員必須采取各種折衷方法，達(dá)到包括電源轉(zhuǎn)換效率與尺寸、性能復(fù)雜度與成本之間的平衡。本文介紹了一款新型、高度集成的電源方案，在提供系統(tǒng)設(shè)計靈活性的同時有效優(yōu)化系統(tǒng)性能，幫助設(shè)計人員克服所面臨的挑戰(zhàn)。

提高效率

基站工作的能源成本對于無線運(yùn)營商意義重大，需要采用更高效率的電源方案來降低運(yùn)營費(fèi)用。此外，功耗的降低還有助于散熱設(shè)計，運(yùn)營商在無線單元中可以采用更小的散熱器。而散熱器越小，單元電路的尺寸就越小。最后，由于無線單元通常安裝在電線桿上或建筑物的一側(cè)，減小總體尺寸就能夠?qū)C(jī)械應(yīng)力降至最小。

基站的基帶單元通常提供快速信號處理能力，以處理網(wǎng)絡(luò)的大量數(shù)據(jù)和語音流量?；鶐卧蟠?strong>電流、多路電壓供電，總電源電流可能超過60A,這就需要多相電源解決方案，并要求具有遠(yuǎn)端控制功能。提高電源轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)包括降低傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和反向恢復(fù)損耗?？赏ㄟ^選擇低導(dǎo)通電阻(RON)的MOSFET降低傳導(dǎo)損耗;較高的柵極驅(qū)動也有助于降低導(dǎo)通電阻(RRDSON)，但較高的開關(guān)電壓會在某種程度上增大開關(guān)損耗。盡管如此，最好選擇可設(shè)置的柵極驅(qū)動功能。負(fù)載電流較大時，較高的柵極驅(qū)動電壓會降低傳導(dǎo)損耗;輕載條件下，則可降低柵極驅(qū)動電壓。自動選擇能夠優(yōu)化傳導(dǎo)損耗與開關(guān)損耗之間的平衡，有利于基站電源設(shè)計。

MAX15301數(shù)字負(fù)載點(PoL)控制器采用先進(jìn)的算法，在整個工作范圍內(nèi)實現(xiàn)最高水平的轉(zhuǎn)換效率和瞬態(tài)響應(yīng)。器件為外部MOSFET提供先進(jìn)的高效率、自適應(yīng)柵極驅(qū)動。器件通過連續(xù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)負(fù)載、電壓和電流，優(yōu)化電源效率。

簡化電源復(fù)雜度、提高系統(tǒng)可靠性

如果能夠監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)，則可更好地管理系統(tǒng)性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。如上所述，基帶單元必須具備強(qiáng)大的信號處理能力，以處理大量數(shù)據(jù)和語音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開啟/關(guān)閉。需要對基帶工作過程中的電流、溫度進(jìn)行監(jiān)測，以確保系統(tǒng)工作在容限范圍內(nèi)，并在必要時提供報警或故障指示信號。另外，遠(yuǎn)端控制功能和先進(jìn)的故障管理功能能夠確?；緦崿F(xiàn)更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個器件和電源管理的支持。而數(shù)字方案則可降低設(shè)計復(fù)雜度，只需獨立的電源管理芯片(如圖1所示)。

基站電源往往要求非常復(fù)雜的電源管理控制器，每項功能需要多個分立元件配合。設(shè)計方案的總電路板面積和復(fù)雜度也相應(yīng)增長。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設(shè)計方案必須在較寬的工作溫度范圍內(nèi)保持可靠。對于傳統(tǒng)的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設(shè)置補(bǔ)償，而又必須解決寬工作范圍問題。同時，無源器件(例如電感和電容)的差異也加劇了電源補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度。

數(shù)字系統(tǒng)可作為替代方案，數(shù)字架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)自動補(bǔ)償，并有利于優(yōu)化帶寬。更大頻寬的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)有助于改善系統(tǒng)容限或省掉輸出電容，從而縮小系統(tǒng)尺寸。此外，由于無源器件參數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，自動補(bǔ)償功能能夠自適應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)條件的變化，從而在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。

圖1, 模擬(左圖)和數(shù)字(右圖)方案的系統(tǒng)設(shè)計。

數(shù)字方案集成了電源管理，用于每路DC-DC轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成靈活且便于裁減的系統(tǒng)。數(shù)字遠(yuǎn)端控制連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)補(bǔ)償，確保最優(yōu)的基站性能。Maxim InTune產(chǎn)品，例如MAX15301,解決了電源管理的設(shè)計難題。這些產(chǎn)品很容易實現(xiàn)高性能、DC-DC電源設(shè)計，濾波電容尺寸更小，具備更高的工作效率。該數(shù)字電源技術(shù)基于“狀態(tài)空間”或“模型預(yù)測”控制，而非比例-積分-微分(PID)控制，大多數(shù)數(shù)字控制器都采用后者。MAX15301中的自動補(bǔ)償過程基于實測參數(shù)，有利于構(gòu)建電源的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型，包括外部元件，最終使得開關(guān)電源具有更高的動態(tài)性能，保證穩(wěn)定工作。該設(shè)計采用多種專利算法，在較寬的工作范圍內(nèi)優(yōu)化效率。

減小電路板面積

由于天線可能安裝在建筑物、發(fā)射塔或電線桿上，系統(tǒng)重量成為主要考慮的問題，迫切需要減小無線單元的電路板面積，特別是基帶單元，功能強(qiáng)大的數(shù)字處理器占用非常大的電路板面積。集成MOSFET具有更小封裝，可用于負(fù)載點電源。這種方案對于低功率應(yīng)用切實可行，但不適合大電流設(shè)計?；诳刂破鞯姆桨冈试S針對特定的工作條件對MOSFET器件進(jìn)行優(yōu)化選擇，因而具有更大靈活性，這種方案也有利于電路板散熱，便于熱管理。當(dāng)然，外部MOSFET會增大電路板面積。

由于基帶單元的供電電流會高達(dá)60A/電源，要求多相轉(zhuǎn)換方案。對于這些大電流電源，需要增加無源器件的數(shù)量(本例中為電容)，以滿足瞬態(tài)要求。MAX15301可配置用于單機(jī)或多相工作。MAX15301數(shù)字控制器采用專有的自動調(diào)節(jié)技術(shù)，大大簡化了設(shè)計。設(shè)計中無需工程師進(jìn)行電源補(bǔ)償，可確保最佳補(bǔ)償。集成遠(yuǎn)端控制功能也降低了對外部IC的要求，能夠支持更高密度的設(shè)計。

總結(jié)

基站電源設(shè)計需要仔細(xì)權(quán)衡體積、效率和性能之間的關(guān)系。Maxim基于數(shù)字遠(yuǎn)端控制的新一代電源方案具有簡單、靈活、調(diào)整方便等優(yōu)勢。采用MAX15301設(shè)計的電源系統(tǒng)能夠提供更高的集成度和靈活性。通過連續(xù)補(bǔ)償監(jiān)測，優(yōu)化總體性能。此外，數(shù)字遠(yuǎn)端控制功能使得設(shè)計平衡與折衷更簡單、直接。