實現電信電源高效率

電信行業在現代社會中發揮著重要作用，是全球即時通信的重要基礎。無論是對于電話、短信還是網絡命令，電信設備都能確保連接可靠。電信設備的正常運行離不開電源的支持，但這一關鍵因素卻常常被人們忽視。
本文重點介紹 Analog Devices 的 MAX15258，其設計為在單相或雙相升壓/反相降壓-升壓配置中支持多達兩個 MOSFET 驅動器和四個外部 MOSFET。兩個器件可以組合起來實現三相或四相運行，從而提升輸出功率和效率。
滿足更高功率需求
受技術進步、網絡流量激增和電信基礎設施擴建等因素的推動，電信行業對電力的需求持續增長。從第三代 (3G) 到第四代 (4G) 和第五代 (5G) 網絡的演進，催生了先進的大功率設備。
5G 技術的部署對基站和信號塔的功率需求產生了重大影響?；?，尤其是城市地區的基站，需要更高的功率水平，以支持大規模 MIMO（多輸入多輸出）配置和波束賦形所需的更多天線和無線電單元。
冗余是另一個關鍵因素。電源必須考慮冗余設計，通常包括電池或發電機等備用電源，以確保在停電時維持不間斷運行。
與前幾代無線網絡相比，5G 移動技術的部署給電源設備的要求帶來了一些變化。要讓 5G 兌現其可靠、高速和低延遲通信的承諾，必須滿足一些條件。
功率放大器要求
· 支持廣泛的頻段，包括 sub-6 GHz 和毫米波 (mmWave) 頻率，這對信號傳播提出了獨特的挑戰。
· 適應更寬的信號帶寬和更高的功率水平，并提供線性放大以防止高數據速率信號失真。
· 高效運行，最大限度地降低功耗和發熱，尤其對于電池供電設備和偏遠地區的小型蜂窩基站。
· 重量輕且外形緊湊，可安裝在小型機柜中，如小型蜂窩基站和用戶設備中。
· 采用先進的材料和技術，如由氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 制成的半導體器件，以提高功率密度、性能和工作頻率。
電源轉換要求
由于歷史、實用性和技術方面的原因，電信系統通常使用 -48 VDC 電源。電信網絡需要可靠的備用電源，以應對電網故障或其他緊急情況。鉛酸蓄電池是常用的備用電源，也可工作于 -48 VDC。主電源和備用電源使用相同的電壓，使得設計和維護備用系統更容易。此外，較低的電壓（如 -48 VDC）對從事電信設備工作的人員更安全，可降低觸電和受傷的風險。
電信設備的電源必須滿足特定的運行要求，以確?？煽啃院托?。以下是一些重要規格：
· 輸入電壓范圍：電源應能承受較寬的輸入電壓范圍。
· 電壓調節：電源必須根據電信設備的要求提供穩定的調節輸出電壓。
· 高效率：電源必須具備高效率，以減少功率損耗和能耗。通常要求至少 90% 的效率水平。
· 冗余：為確保不間斷運行，電源通常具備冗余功能，如 N+1，即使用額外的電源。如果一個電源發生故障，另一個電源可以立即接管并承擔供電任務。
· 可熱插拔：在任務關鍵型設施中，電源應支持熱插拔，確保在更換或維護期間盡量減少停機時間。
· 高可靠性：電源應配備保護機制，以避免在過流、過壓和短路等不利工作條件下造成損壞。
有源箝位正激轉換器
有源箝位正激轉換器 (ACFC) 是電源系統中常見的 DC/DC 轉換器配置，主要用于將 -48 VDC 轉換為正電壓。ACFC 是一種電壓轉換電路，集成了正激轉換器和有源箝位電路的特性以提高效率。這項技術廣泛應用于電信和數據中心設備的電源系統中。
ACFC 的核心元件是變壓器（圖 1）。變壓器的主繞組接收輸入電壓，從而在次級繞組中產生感應電壓。變壓器的輸出電壓由其匝數比決定。
有源箝位電路包含輔助半導體開關和電容器，用于調節和控制變壓器漏感內包含的能量。當初級開關斷開時，漏感中儲存的能量會被重定向到箝位電容器，從而防止出現電壓尖峰。這種做法可減輕初級開關的壓力，提高運行效率。變壓器次級繞組的電壓由二極管整流，輸出電壓由輸出濾波電容器來平滑。最后，ACFC 采用軟切換，因此開關轉換更平滑，產生的噪聲更小。這就減少了電磁干擾 (EMI)，降低了開關損耗。

圖 1：ACFC 拓撲。（來源：Analog Devices）

ACFC 電路可減少電壓尖峰和元器件承受的壓力，從而提高效率，尤其是在高輸入輸出電壓比的情況下。此外，它還能處理寬輸入電壓范圍，因此適合輸入電壓不穩定的電信和數據中心應用。
有源箝位電路具有如下缺點：
· 如果不為占空比限定一個最大值，占空比的增加可能會使變壓器飽和，或者給主開關帶來更大的電壓應力，因此必須準確選用大小合適的箝位電容器。
· ACFC 是一種單級 DC-DC 轉換器。隨著功率水平提高，電信等高能耗應用采用多相設計的優勢更加明顯。
· 有源箝位正激設計無法擴展到更高輸出功率并保持相似的性能。
克服 ACFC 局限性
Analog Devices 的 MAX15258 是一款帶 I2C 數字接口的高壓多相升壓控制器，專為電信和工業應用而設計。該器件的輸入電壓范圍非常寬，升壓配置下為 8 V 至 76 V，反相降壓/升壓配置下為 -8 V 至 -76 V。輸出電壓范圍從 3.3 V 到 60 V，可滿足包括電信設備在內的各種應用的要求。
這款多功能 IC 的典型應用是圖 2 所示 5G 宏蜂窩或家庭基站的電源。熱插拔特性由負電壓熱插拔控制器（如 ADI 的 ADM1073）來保證，該控制器由 -48 VDC 供電。同樣的電壓還為 MAX15258 降壓/升壓轉換器供電，此轉換器可提供高達 800 W 的輸出功率。

圖 2：5G 應用的電源級框圖。（來源：Analog Devices）

MAX15258 設計為在升壓/反相降壓-升壓單相或雙相配置中支持多達兩個 MOSFET 驅動器和四個外部 MOSFET。其還可以將兩個器件組合起來，實現三相或四相運行。當配置為反相降壓-升壓轉換器時，其內部高壓 FB 電平轉換器可以通過差分方式檢測輸出電壓。借助專用基準輸入引腳或 I2C 數字接口，可以動態設置輸出電壓。
可以使用外部電阻器來調節內部振蕩器，也可以將穩壓器與外部時鐘同步，以保持恒定的開關頻率。支持 120 kHz 至 1 MHz 的開關頻率。該控制器還具有過流、輸出過壓、輸入欠壓和熱關斷保護功能。
OVP 引腳上的電阻器用來指定控制器相位數。此信息用于確定控制器如何響應主相位的多相時鐘信號。在四相轉換器中，MAX15258 控制器或目標的兩個相位交錯 180°，而控制器與目標之間的相移為 90°（圖 3）。

圖 3：四相配置 - 控制器和目標波形。（來源：Analog Devices）

在多相操作中，MAX15258 監控低壓側 MOSFET 電流以實現主動相電流平衡。作為反饋，電流不平衡被應用于逐周期電流檢測電路，以幫助調節負載電流。這樣做可以確保兩相之間的電流公平分配。與正激轉換器設計不同，使用該 IC 時，設計人員無需在設計計算階段考慮可能存在的 15% 至 20% 的相位不平衡。
在三相或四相操作中，平均每芯片電流通過專用差分連接在控制器和目標之間傳輸。電流模式控制器和目標器件調節各自的電流，使所有相位均等地分擔負載電流。
圖 4 所示的四相交錯反相降壓-升壓電源適合需要大功率的應用。CSIO+ 和 CSIO- 信號連接兩個控制器，并且 SYNC 引腳也相連以保證時鐘同步，實現相位協調的相位交錯方案。

圖 4：四相反相降壓-升壓 -48 VIN 至 +48 VOUT 800 W 電源。（來源：Analog Devices）

MAX15258 是一款低頻升壓轉換器，因此能夠減少開關損耗——這是轉換器功率損耗的主要來源。每個轉換器都在低損耗區域內以低頻工作，結果是以總計等效的高頻率提供高輸出功率。因此，它是轉換 -48 VDC 的理想器件。
該器件以穩定的占空比運行，能夠以非常高的效率提供高輸出功率。圖 5 顯示了基于耦合電感器的 MAX15258 800 W 參考設計在不同 VIN 和 VOUT 組合下的效率曲線。由于減少了傳導損耗，圖中清楚地顯示效率超過 98%。

圖 5：MAX15258 CL 800 W 參考設計的效率與輸出負載電流的關系。（來源：Analog Devices）

總結
電源在電信行業中發揮著重要作用。有源箝位正激轉換器 (ACFC) 能夠實現高效率并大幅降低功率損耗，因此在電信電源設計中備受青睞。然而，其固有的局限性可能會妨礙它們在特定情況下的效能。為了克服有源箝位正激轉換器的局限性，新一代電源技術應運而生，它們提供更高的效率、更大的功率密度和簡化的控制機制。在電信行業，這些新穎的解決方案為實現更先進、更優化的電源鋪平了道路。