Funkgeräte sind heutzutage mehrbandfähig, und Entwickler von Leistungsverstärkern (PA) treiben die Leistungssteigerungen immer weiter voran. Dieser Artikel konzentriert sich auf 80-W-PAs mit mehreren PAs im System. 1400-W-RRU-Plattformen (Remote Radio Unit) sind mittlerweile Standard. Netzbetreiber fordern jedoch energieeffizientere, zuverlässigere und kompaktere RRUs, da die Abdeckungsdichte stetig zunimmt. Lastpunkte (PoLs) müssen mit breiten Eingangsspannungs- und Betriebstemperaturbereichen arbeiten und vor allem kostengünstig sein. Bei Anwendungen mit einem Leistungsbedarf von 500 W oder mehr stellen die magnetische Auslegung und die Leitungsverluste im Sekundärkreis eines aktiven Clamp-Forward-Konverters aufgrund des erforderlichen fortschrittlichen Regelungsverfahrens zur Einhaltung der Verzögerungszeit zwischen der aktiven Klemme und der Ansteuerung des Hauptschalters eine Herausforderung dar. Dieser Artikel präsentiert eine skalierbare und stapelbare -48-VDC-PoL-Lösung, die den hohen Leistungsbedarf in diesen hochdichten Netzen aufgrund des enormen Wachstums des Netzwerkverkehrs deckt.
Einleitung:
Drahtlose und Telekommunikationsnetzwerke arbeiten typischerweise mit -48 V Gleichspannung_.Da Gleichstrom einfacher zu handhaben ist, konnten Notstromsysteme mit Batterien ohne Wechselrichter realisiert werden. Gleichstrom lässt sich in Batterien speichern, die nach einem Stromausfall für eine gewisse Zeit weiterbetrieben werden können. Die -48-V-Gleichspannung muss jedoch zunächst in eine positive Zwischenkreisspannung umgewandelt werden, bevor sie zur Versorgung des Leistungsverstärkers (PA) verstärkt oder für digitale Basisbandeinheiten (BBUs) auf eine geeignete positive Spannung heruntertransformiert werden kann. Ein Netzteil mit einer Leistung von 100 W bis 350 W war für viele Anwendungen ausreichend. Vorwärtswandler erwiesen sich als gute Wahl und werden seit Jahren in Telekommunikations-BBUs und Remote Turnaround Units (RRUs) eingesetzt. Mit der steigenden Nachfrage nach mobilen Daten entstehen ständig neue Märkte und Anwendungen. Aktuell stehen Vorwärtswandler vor erheblichen Herausforderungen, insbesondere wenn die Ausgangsleistungsanforderungen für diese neuen Funkdesigns 500 W übersteigen. In diesem Artikel stellen wir einen stapelbaren und verriegelbaren Hochspannungs-Mehrphasen-Buck-Boost-Wechselrichter-Controller vor, der alle Anforderungen und Herausforderungen für die aktuellen Anforderungen von 5G-Telekommunikationsgeräten erfüllt. Doch zunächst: Woher kommen die -48 V DC_und warum besteht dieses negative Potenzial?

Typisches Gleichstromsystem für die Telekommunikation:
Telekommunikations- und Mobilfunknetze arbeiten üblicherweise mit -48 V_Gleichstrom. Warum? Kurz gesagt: -48 V_Gleichstrom, auch bekannt als System mit positiver Erdung, wurde gewählt, weil es ausreichend Leistung für ein Telekommunikationssignal liefert und gleichzeitig die Sicherheit für den menschlichen Körper bei Telekommunikationsaktivitäten erhöht. Aktuelle Sicherheitsstandards und Elektrovorschriften bestätigen, dass alle Stromkreise mit 50 V_Gleichstrom oder weniger als sichere Niederspannungskreise gelten. Ein weiterer Grund ist, dass Telekommunikationsbetreiber mit -48 V_Gleichstrom problemlos in Reihe geschaltete 12-V-Bleiakkumulatoren als Notstromversorgung bei Stromausfall nutzen können. Die negative Spannung von 48 V_Gleichstrom ist nach wie vor Standard in Kommunikationsanlagen für kabelgebundene und drahtlose Dienste, da sie im Vergleich zu positiven Spannungen weniger Korrosion (oder zumindest eine geringere galvanische Korrosion) in Metallen verursacht. Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines typischen Gleichstromsystems für die Telekommunikation und verdeutlicht die Erzeugung und Verteilung von -48 V_Gleichstrom. Das Telekommunikations-Gleichstromsystem umfasst typischerweise das nationale Stromnetz, einen Dieselgenerator, einen selbsttätigen Wechselstrom-Umschalter (ATS), ein Stromverteilungssystem, Solarpaneele oder -felder, Regler und Ladegeräte, Gleichrichter, in Reihe geschaltete Notstrombatterien sowie die entsprechenden Kabel und Leistungsschalter.

Abbildung 1. Vereinfachtes Diagramm eines typischen Gleichstrom-Telekommunikationssystems.

Bei Stromausfall startet der Dieselgenerator automatisch und versorgt das Gleichstromsystem mit Wechselstrom. Die automatische Umschalteinrichtung (ATS) synchronisiert die Spannungen der verschiedenen Quellen mit den angeschlossenen Geräten. Da die meisten Telekommunikationsgeräte vor Ort eine Gleichstromversorgung benötigen, wird der Wechselstrom aus dem Netz oder vom Dieselgenerator mittels Gleichrichtern in -48 V Gleichstrom umgewandelt_. Diese redundanten Gleichrichter wandeln den Wechselstrom in -48 V Gleichstrom um, der zum Laden der Batterien und zur Versorgung kritischer Verbraucher dient. Die Batterien (Erhaltungsladebatterien) liefern -48 V_Gleichstrom für die Telekommunikationsgeräte oder andere Verbraucher, falls die Gleichrichter ausfallen. Die Basisstation (BTS) bzw. die Funkzentrale (RRH) bemerkt keinen Unterschied in der tatsächlichen Stromversorgung, und der Betrieb läuft normal weiter. Sobald die Netzstromversorgung wiederhergestellt ist, übernehmen die Gleichrichter wieder die Steuerung. Im Prinzip fungiert die gesamte Anlage als eine große unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV).

Die Grenzen des Vorwärtswandlers:
Nachdem wir die Herkunft der -48 V_DC, betrachten wir eine der in der Industrie am weitesten verbreiteten PoL-Topologien zur Umwandlung von -48 V_DC in positive Spannungen. Viele Entwickler von Telekommunikations-PoLs verwenden einen aktiven Clamp-Vorwärtswandler zur Realisierung ihrer invertierten Aufwärts-/Abwärtswandler. Weitere gängige Schaltungsvarianten sind Gegentakt-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler. Der Vorteil liegt darin, dass der Großteil der Transformatorverlustenergie durch die nahezu verlustfreie Rückgewinnungsmethode zurückgewonnen wird. Für den PoL-Entwickler ist es wichtig, zunächst das grundlegende Timing des aktiven Clamp-Resets zu verstehen. Eine falsche Dimensionierung des Clamp-Kondensators kann nämlich zu einem erhöhten Tastverhältnis des PoL führen, was eine Transformatorsättigung und langfristige Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit des Hauptschalters zur Folge haben kann. Abbildung 2 zeigt den Aufbau einer konventionellen Schaltung eines aktiven Clamp-Vorwärtswandlers mit Low-Side-Transformator-Reset. Der Transformator-Reset-Mechanismus umfasst den CCLAMP und Q1.

Abbildung 2. Entwurf eines konventionellen Vorwärtsumrichters mit Rückstellung über den Niederspannungstransformator. Ein konventioneller Vorwärtsumrichter mit aktiver Rückstellungsklemme mittels Niederspannungstransformator.

Zu den Nachteilen der aktiven Spannungsbegrenzung gehört die Notwendigkeit einer präzisen Dimensionierung des Begrenzungskondensators. Ein hoher Kondensatorwert reduziert zwar die Spannungswelligkeit, führt aber zu einer Einschränkung des Einschwingverhaltens. Die Vorwärtstopologie der aktiven Spannungsbegrenzung erfordert fortschrittliche Regelungstechniken, um die Verzögerung zwischen der aktiven Spannungsbegrenzung und der Betätigung des Hauptleistungsschalters zu synchronisieren. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass ein höherer Tastgrad, wenn die Spannungsbegrenzung nicht auf einen Maximalwert eingestellt ist, zu einer Transformatorsättigung oder einer höheren Spannung am Hauptleistungsschalter führen kann, was katastrophale Folgen haben kann. Schließlich handelt es sich bei dem Vorwärtswandler der aktiven Spannungsbegrenzung um einen einstufigen DC/DC-Wandler. Mit steigenden Leistungspegeln – beispielsweise werden 800-W-Geräte in 5G-Systemen immer üblicher – bietet ein mehrphasiges Design mehr Vorteile für diese Hochleistungsanwendungen. Ein einphasiger Wandler kann die Vorteile des verschachtelten Mehrphasenbetriebs nicht nutzen. Darüber hinaus lässt sich ein Design mit aktiver Vorwärtsspannungsbegrenzung nicht auf höhere Ausgangsleistungen skalieren, ohne dass die Ergebnisse mit denen eines Designs mit niedrigerer Ausgangsleistung vergleichbar sind. Der invertierte Aufwärts-/Abwärtswandler MAX15258 wird im nächsten Abschnitt vorgestellt. Abbildung 3 zeigt ein typisches Blockdiagramm der Stromversorgung einer 5G-Makro- oder Femto-RRU-Karte. Ein Hot-Swap-Treiber ist fast immer vor dem -48-V _-DC- Wandler platziert. Beispiele für vollwertige -48-V _-DC -Hot-Swap-Treiber sind der ADM1073 und der LTC4284, die sich gut für diese Anwendungen eignen.

Abbildung 3. Stromversorgung Blockdiagramm einer Stromversorgung für eine 5G-Makro-Basisstation.

Ausgewählte integrierte Schaltungen:
Der MAX15258 ist ein Hochspannungs-Mehrphasen-Boost-Treiber mit einer digitalen I²C-Schnittstelle. Er unterstützt bis zu zwei MOSFET-Treiber und vier externe MOSFETs in ein- oder zweiphasigen Boost-/Inverting-Buck-Boost-Konfigurationen. Zwei Treiber können für eine drei- oder vierphasige Konfiguration gestapelt werden. Das Bauteil steuert die Phasen mit der entsprechenden Phasenverschiebung, um eine maximale Restwelligkeitskompensation zu erreichen. In der Konfiguration als invertierender Buck-Boost-Wandler verfügt der MAX15258 über einen internen Hochspannungs-Rückkopplungsschalter zur differenziellen Erfassung der Ausgangsspannung. Abbildung 4 zeigt das vereinfachte Blockdiagramm eines verschachtelten zweiphasigen invertierenden Buck-Boost-Wandlers.

Abbildung 4. Vereinfachtes Blockdiagramm eines verschachtelten zweiphasigen invertierten Buck-Boost-Wandlers.

Mit diesem integrierten Schaltkreis müssen Entwickler im Gegensatz zu Vorwärtswandlern bei den Berechnungen keine potenzielle Phasenunsymmetrie (15 % bis 20 %) berücksichtigen. Der Regler basiert auf einer Architektur mit fester Frequenz und Spitzenstromregelung, die ein schnelles Einschwingverhalten zur Regelung des Ausgangssignals ermöglicht. Ein detailliertes Blockdiagramm des Regelkreises ist im Datenblatt des Bauteils dargestellt. Das Bauteil überwacht den Low-Side-MOSFET-Strom jeder Phase über RSENSE und verwendet ein Differenzstrommesssignal, um ein korrektes Stromgleichgewicht in den aktiven Phasen zu gewährleisten, wenn zwei MAX15258-Schaltkreise in einer Host-Knoten-Konfiguration gestapelt sind. Die Stromunsymmetrie wird dem Strommessschaltkreis zyklusweise als Rückkopplung zugeführt und trägt so zur Regelung bei, sodass der Laststrom gleichmäßig auf die beiden Phasen verteilt wird. Im Drei- oder Vierphasenbetrieb übermittelt das Knotenbauelement seinen mittleren Strom über die Differenzsignale (CSIO+, CSIO-) an den Host-Regler. Diese präzise Stromausgleichsfunktion macht den MAX15258 für PoL-Entwickler so attraktiv. Abbildung 5 zeigt den 800-W-, 4-phasigen, invertierten Aufwärts-/Abwärtswandler (-48 V_IN , +48 V_OUT) , bei dem die beiden Treiber über die Signale CSIO+ und CSIO- verbunden sind. Die SYNC-Pins beider Geräte sind ebenfalls verbunden, um die Taktsynchronisation für das koordinierte Phasenschaltverfahren sicherzustellen.

Abbildung 5. Verschachtelter 4-Phasen-Inverter-Buck-Boost -48 VIN auf +48 VOUT 800 W mit CSIO+ und CSIO- Signalen, die die Regler verbinden.

Der MAX15258 ist im Prinzip ein Aufwärtswandler, der mit relativ niedriger Frequenz arbeitet. Dadurch werden die Schaltverluste, die den größten Anteil am Leistungsverlust dieser Wandler ausmachen, deutlich reduziert. Das Bauteil ist für Schaltfrequenzen bis zu 1 MHz ausgelegt. Im Mehrphasenbetrieb arbeiten die Phasen parallel und alle mit derselben Frequenz (jedoch verschachtelt). Die Gesamtfrequenz beträgt N × Frequenz, wobei N die Anzahl der Phasen ist. Die Verluste entsprechen jedoch der Frequenz jedes einzelnen Wandlers. Durch die verschachtelte Schaltung wird der am Ausgangskondensator auftretende Restwelligkeitsstrom teilweise kompensiert. Der Eingangsrestwelligkeitsstrom wird deutlich reduziert, wodurch kleinere Eingangsinduktivitäten verwendet werden können. Die Verwendung der von ADI entwickelten Technologie gekoppelter Induktivitäten (CL) trägt ebenfalls zur Dämpfung des Ausgangsrestwelligkeitsstroms bei und ermöglicht so den Einsatz kostengünstigerer Kondensatoren mit niedrigeren Restwelligkeitsstromwerten. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad bei gleichzeitig reduziertem Platzbedarf auf der Leiterplatte. Im Wesentlichen bietet dies eine hohe Ausgangsleistung bei einer hohen äquivalenten Gesamtfrequenz, wobei jeder Wandler in einem verlustarmen Niederfrequenzbereich arbeitet. Dies ist der Schlüssel zur innovativen Lösung des MAX15258 für die -48-V_-DC-.
Die aktive Clamp-Forward-Topologie begrenzt die Möglichkeit, hohe Tastverhältnisse zu erreichen, was den Betrieb bestimmter Kombinationen von V_{_IN} und V_{_OUT}. Da Telekommunikations-OEMs verschiedene Frequenzbänder auf denselben Plattformen kombinieren, ist die Unterstützung unterschiedlicher Ausgangsspannungsbereiche der Leistungsverstärker zu einer anspruchsvollen Anforderung geworden. Die Ausgangsleistung eines aktiven Clamp-Forward-Wandlers ist begrenzt. Der MAX15258 erfüllt die Anforderungen des IPC9592B-Standards hinsichtlich des Pinabstands für Spitzenspannungen bis zu 56 V. Der IPC9592B-Standard definiert eine Formel zur Berechnung des Leiterplatten-Oberflächenabstands für Betriebsspannungen von 30 V bis ca. 100 V: Abstand (mm) = 0,1 + V_PEAK</sub> × 0,01 (z. B. ergibt sich bei 56 V ein Abstand von 0,66 mm zwischen den Hochspannungspins und den übrigen Pins).
Letztendlich erfordert der aktive Clamp-On-Vorwärtswandler zu viele komplexe Schritte, um eine Sättigung des Transformators zu verhindern. Der MAX15258 hingegen kehrt die Spannung automatisch um und erzielt so eine sehr hohe Ausgangsleistung bei außergewöhnlichem Wirkungsgrad und einem hervorragenden Tastverhältnis. Diese Eigenschaften ermöglichen ein skalierbares und stapelbares Plattformdesign (bis zu vier Phasen) mit flexibler und stabiler Tastverhältnissteuerung für einen breiten Bereich von_Eingangs- und_{Ausgangsspannungen}. Abbildung 6 zeigt die Wirkungsgradkurven eines 800-W-MAX15258-Referenzdesigns mit einer an verschiedene Eingangs-_{und Ausgangsspannungen} gekoppelten_. Die Diagramme belegen deutlich erstklassige Wirkungsgrade von 98 % und mehr, die auf die geringeren Leitungsverluste zurückzuführen sind. Und das alles zu vergleichsweise niedrigeren Kosten.

Abbildung 6. Wirkungsgradkurven des MAX1525. Wirkungsgradkurven des Referenzdesigns MAX15258 CL 800 W bei verschiedenen V_{_IN-} und V_{_OUT-Werten.}

Über die digitale I²C-Schnittstelle kann der Benutzer zahlreiche Telemetriedaten des MAX15258 auslesen, darunter Eingangsspannung (V<sub>_IN, Ausgangsspannung (V_{_OUT)}, Phasenströme und Fehlerstatus. Darüber hinaus lässt sich die Ausgangsspannung dynamisch über die digitale Schnittstelle anpassen. Abbildung 7a zeigt das gemessene Bode-Diagramm des MAX15258 CL 800 W Referenzdesigns im stationären Lastbetrieb bei -48 V_{_IN} und +48 V_{_OUT} (16 A<sub>I_{_OUT}). Daraus ergibt sich eine Phasenreserve von 74,4° und eine Verstärkungsreserve von -20,7 dB. Abbildung 7b zeigt die Lasttransienten-Diagramme. Wie ersichtlich, sind die Schaltflanken sehr sauber, praktisch ohne Überschwingen und ohne Nachschwingen.

Abbildung 7. (a) Bode-Diagramm, gemessen im Betrieb mit stationärem Laststrom; (b) transiente Lastantwort: Ch3-V_OUT (AC), 1 V/div; Ch2-ILOAD, 10 A/div.

Fazit:
Netzbetreiber müssen künftig mehr Small Cells an mehr Standorten und schneller als je zuvor bereitstellen. Die Power-to-Level-Komponenten (PoL) dieser Produkte müssen daher hocheffizient sein und einen Wirkungsgrad von mindestens 98 % erreichen. Der Hochspannungs-Wechselrichter-Buck-Boost-Treiber MAX15258 ist kostengünstig, effizient und skalierbar. Phasen lassen sich auf demselben PCB-Layout einfach hinzufügen und entfernen. Diese Vorteile ermöglichen es Entwicklern von Leistungswandlern, den Wirkungsgrad zu steigern. ADI wird sich auch weiterhin diesen und ähnlichen Herausforderungen stellen und weitere -48-V-_DC für den 5G-Markt entwickeln. Dabei nutzt das Unternehmen seine umfassende Expertise im Bereich von Stromversorgungsarchitekturen.

Über den Autor:
Hamed M. Sanogo ist Endmarktspezialist für Cloud und Kommunikation in der Global Applications Group von Analog Devices. Er schloss sein Studium der Elektrotechnik (MSEE) an der University of Michigan-Dearborn ab und erwarb anschließend einen MBA an der University of Dallas. Nach seinem Abschluss arbeitete er als leitender Entwicklungsingenieur bei General Motors und als leitender Elektroingenieur sowie Entwickler von Node-B- und RRH-Basisbandplatinen bei Motorola Solutions, bevor er zu ADI wechselte. In den letzten 17 Jahren bekleidete Hamed verschiedene Positionen, darunter FAE/FAE-Manager, Produktlinienmanager und aktuell die des Endmarktspezialisten für Kommunikation und Cloud.