為5G和下一代電信設(shè)備構(gòu)建更好的-48 VDC電源

隨著新市場(chǎng)和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，對(duì)移動(dòng)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(méi)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(jì)?，F(xiàn)在的無(wú)線電支持多頻段工作，功率放大器(PA)設(shè)計(jì)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(gè)PA的情形。1400 W遠(yuǎn)程無(wú)線電單元(RRU)平臺(tái)越來(lái)越普遍。然而，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商希望這些RRU能夠提高覆蓋密度，同時(shí)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(duì)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(lái)保持有源鉗位和主開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)之間的延遲時(shí)序，因此在有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，次級(jí)電路的磁元件設(shè)計(jì)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 V_DC 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(jiǎn)介

電信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常采用-48 V_DC電源運(yùn)行。由于直流電源更簡(jiǎn)單，因此可以使用電池構(gòu)建備用電源系統(tǒng)，而無(wú)需逆變器。直流電可以儲(chǔ)存在電池中；市電中斷時(shí)，可以利用這些電池持續(xù)供電一段時(shí)間。然而，-48 V_DC必須首先高效地轉(zhuǎn)換為正中間總線電壓，然后經(jīng)過(guò)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(gè)不錯(cuò)的選擇，已廣泛用于電信BBU和RRU很多年。隨著對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，新市場(chǎng)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(wú)線電設(shè)計(jì)的輸出功率要求超過(guò)了500 W。本文提出了一種可堆疊和交錯(cuò)的多相高壓反相降壓-升壓控制器，它能應(yīng)對(duì)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 V_DC從何而來(lái)？為什么需要負(fù)電位？

典型電信直流電源系統(tǒng)

電信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常采用-48 V_DC電源運(yùn)行，但為什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，選擇-48 V_DC（也稱為正極接地系統(tǒng)）的原因是它能提供足夠的功率來(lái)支持電信信號(hào)，而且在進(jìn)行電信活動(dòng)時(shí)對(duì)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 V_DC或以下運(yùn)行的電路都是安全的低壓電路。另一個(gè)原因是，-48 V_DC便于電信運(yùn)營(yíng)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(shí)持續(xù)供電。-48 V_DC仍然是提供有線和無(wú)線服務(wù)的通信設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為與正電壓相比，它對(duì)金屬造成的腐蝕更少（或者說(shuō)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 V_DC的創(chuàng)建和分配方式。電信直流電源系統(tǒng)通常包括：國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、自主式交流自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)(ATS)、配電系統(tǒng)、太陽(yáng)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(shí)，柴油發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，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(chǎng)大多數(shù)電信設(shè)備都需要直流電源，因此來(lái)自電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)的交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換為-48 V_DC。這些冗余整流器用于將交流電源轉(zhuǎn)換為-48 V_DC電源，從而對(duì)電池進(jìn)行涓流充電并支持關(guān)鍵負(fù)載。電池處于浮動(dòng)狀態(tài)，如果整流器無(wú)法提供-48 V_DC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(huì)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(shí)，整流器再次接管。本質(zhì)上，整個(gè)發(fā)電廠就像一個(gè)大型不間斷電源(UPS)。

正激式轉(zhuǎn)換器的局限性

了解-48 V_DC的來(lái)源之后，接下來(lái)我們討論業(yè)界常用的將-48 V_DC轉(zhuǎn)換為正電壓的PoL拓?fù)渲?。許多電信PoL設(shè)計(jì)人員使用有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)反相降壓-升壓設(shè)計(jì)。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(guò)其近乎無(wú)損的回收方法回收。對(duì)于PoL設(shè)計(jì)人員而言，首先了解有源鉗位復(fù)位固有的基本時(shí)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(huì)導(dǎo)致PoL占空比增加，進(jìn)而造成變壓器飽和，并對(duì)主開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)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(jì)。變壓器復(fù)位機(jī)制包括C_CLAMP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(jì)

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(huì)帶來(lái)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(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)之間的延遲時(shí)序同步。與有源鉗位相關(guān)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，如果未能鉗位到某個(gè)最大值，增大的占空比可能會(huì)導(dǎo)致變壓器飽和，或給主開(kāi)關(guān)帶來(lái)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(jí)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(jì)將為這些高耗電應(yīng)用帶來(lái)更多優(yōu)勢(shì)。單相轉(zhuǎn)換器無(wú)法提供使用多相交錯(cuò)操作帶來(lái)的任何收益。此外，有源鉗位正激設(shè)計(jì)無(wú)法將較低輸出功率設(shè)計(jì)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(jiǎn)化框圖。熱插拔控制器幾乎普遍放在-48 V_DC轉(zhuǎn)換器的前面。全功能-48 V_DC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(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)外部MOSFET。兩個(gè)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(dòng)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(shí)，MAX15258具有一個(gè)內(nèi)部高壓反饋電平轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)輸出電壓實(shí)施差分檢測(cè)。圖4為實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)式兩相反相降壓-升壓設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化框圖。

圖4.兩相交錯(cuò)反相降壓-升壓的簡(jiǎn)化框圖

借助該IC，與正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不同，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)計(jì)算步驟中無(wú)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(lái)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(cè) 中顯示了控制環(huán)路的詳細(xì)框圖。該器件通過(guò)RSENSE監(jiān)測(cè)每相的低側(cè)MOSFET電流，并使用差分電流檢測(cè)信號(hào)，以確保在主機(jī)-節(jié)點(diǎn)配置中堆疊兩個(gè)MAX15258 IC時(shí)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(cè)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(hào)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(duì)PoL設(shè)計(jì)人員非常有吸引力。圖5顯示了四相交錯(cuò)反相降壓-升壓-48 V_IN至+48 V_OUT 800 W電源，其中CSIO+和CSIO-信號(hào)連接兩個(gè)控制器。請(qǐng)注意，兩個(gè)器件的SYNC引腳也已連接，以確保協(xié)調(diào)相位交錯(cuò)方案的時(shí)鐘同步。

圖5.四相交錯(cuò)反相降壓-升壓-48 V_IN至+48 V_OUT 800 W，CSIO+和CSIO-信號(hào)連接控制器

同樣，MAX15258本質(zhì)上是一個(gè)以相對(duì)較低的頻率運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器。這自然會(huì)降低開(kāi)關(guān)損耗，而開(kāi)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(kāi)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(cuò)）?？偟刃ьl率為N × Freq，其中N是相數(shù)，但損耗是每個(gè)轉(zhuǎn)換器的頻率損耗。交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)方案會(huì)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(shí)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(gè)轉(zhuǎn)換器在低損耗區(qū)域以低頻率運(yùn)行。通過(guò)這一巧妙設(shè)計(jì)，使MAX15258成為-48 V_DC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V_IN和V_OUT組合難以工作。隨著電信OEM在同一平臺(tái)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(xiàng)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(gè)公式來(lái)計(jì)算30 V至 ~100 V工作電壓下的PWB表面間隙，即：間隙(mm) = 0.1 + V_PEAK × 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(huì)飽和。然而，MAX15258會(huì)自動(dòng)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(tái)設(shè)計(jì)，提供靈活且穩(wěn)定的占空比控制，以適應(yīng)較寬的V_IN和V_OUT范圍。圖6顯示了基于耦合電感的MAX15258 800 W參考設(shè)計(jì)在不同V_IN和V_OUT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(duì)BOM成本實(shí)現(xiàn)的。

圖6.MAX15258 CL 800 W參考設(shè)計(jì)在不同V_IN和V_OUT條件下的效率曲線

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

此外，輸出電壓可以通過(guò)數(shù)字接口動(dòng)態(tài)設(shè)置。圖7a顯示了MAX15258 CL 800 W參考設(shè)計(jì)在-48 V_IN和+48 V_OUT (16 A I_OUT)條件下，以穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流工作時(shí)測(cè)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。可以觀察到，開(kāi)關(guān)邊沿非常干凈，過(guò)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(shí)測(cè)得的伯德圖；(b) 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：Ch3—V_OUT (AC)，1 V/div；Ch2—I_LOAD，10 A/div。

結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(jì)具有高性價(jià)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(shì)有助于電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員提高電源轉(zhuǎn)換效率。ADI公司將繼續(xù)應(yīng)對(duì)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(shí)，面向5G市場(chǎng)開(kāi)發(fā)更多的-48 V_DC高功率轉(zhuǎn)換解決方案。

作者：Hamed M. Sanogo

來(lái)源：ADI