Les radios sont désormais multibandes et les ingénieurs en conception d'amplificateurs de puissance (PA) repoussent sans cesse les limites de la puissance de sortie de ces amplificateurs. Cet article se concentre sur les PA de 80 W intégrés à plusieurs systèmes. Les plateformes d'unités radio distantes (RRU) de 1 400 W sont devenues courantes. Cependant, les opérateurs de réseau souhaitent que ces RRU soient plus économes en énergie, plus fiables et plus compactes à mesure que la densité de couverture augmente. Les points de charge (PoL) doivent fonctionner avec de larges plages de tensions d'entrée et de températures de fonctionnement et, surtout, être rentables. Toutefois, pour les applications nécessitant 500 W ou plus, la conception magnétique et les pertes par conduction dans le circuit secondaire d'un convertisseur direct à clamp actif sont devenues difficiles à gérer en raison de la nécessité d'un système de contrôle avancé pour maintenir le délai entre le clamp actif et l'actionnement de la grille de l'interrupteur principal. Cet article présente une solution PoL -48 V CC évolutive et empilable qui répondra aux besoins énergétiques élevés engendrés par ces réseaux à haute densité, conséquence de la forte croissance du trafic réseau.
Introduction :
Les systèmes de réseaux sans fil et de télécommunications fonctionnent généralement sous une alimentation de -48 V CC_.La simplicité de l'alimentation CC a permis de concevoir des systèmes d'alimentation de secours par batteries, sans onduleur. Le courant continu peut être stocké dans des batteries, qui peuvent assurer l'alimentation pendant un certain temps après une coupure de courant. Cependant, la tension de -48 V CC doit d'abord être convertie en une tension de bus intermédiaire positive avant de pouvoir être élevée pour alimenter l'amplificateur de puissance (PA) ou abaissée en une tension d'alimentation positive adaptée aux unités de bande de base numériques (BBU). Une alimentation d'une capacité de 100 à 350 W s'est avérée suffisante pour de nombreuses applications. Les convertisseurs directs constituent une solution performante et sont utilisés depuis des années dans les BBU et les unités de commutation à distance (RRU) des télécommunications. Face à la demande croissante de données mobiles, de nouveaux marchés et applications continuent d'émerger. Actuellement, les convertisseurs directs sont confrontés à des défis importants, notamment lorsque la puissance de sortie requise pour ces nouvelles conceptions radio dépasse 500 W. Dans cet article, nous présentons un contrôleur d'onduleur buck-boost multiphase haute tension, empilable et interverrouillable, qui répond à toutes les exigences et aux défis rencontrés pour satisfaire les besoins actuels des équipements de télécommunications 5G. Mais d'abord, d'où provient la tension continue de -48 V_et pourquoi ce potentiel négatif ?

Système d'alimentation CC typique pour les télécommunications :
Les réseaux de télécommunications et sans fil fonctionnent généralement en -48 V_CC. Pourquoi ? En résumé, le -48 V_CC, également appelé système à masse positive, a été choisi car il fournit une puissance suffisante pour supporter un signal de télécommunications tout en étant plus sûr pour le personnel lors des activités de télécommunications. Les normes de sécurité et les codes électriques actuels considèrent que tout circuit fonctionnant à 50 V_CC ou moins est un circuit basse tension sûr. De plus, le -48 V_CC permet aux opérateurs de télécommunications d'utiliser facilement des batteries au plomb de 12 V connectées en série comme source d'alimentation de secours en cas de panne de courant. La tension négative de 48 V_CC reste la norme dans les installations de communication fournissant des services filaires et sans fil, car elle est considérée comme moins corrosive (ou du moins moins sujette à la corrosion galvanique) pour les métaux que les tensions positives. La figure 1 présente un schéma simplifié d'un système d'alimentation CC typique pour les télécommunications, illustrant la génération et la distribution du -48 V_CC. Le système d'alimentation CC des télécommunications comprend généralement le réseau électrique national, un générateur diesel, un commutateur de transfert automatique CA (ATS), un système de distribution d'énergie, des panneaux ou des réseaux solaires, des contrôleurs et des chargeurs, des redresseurs, des batteries de secours connectées en série, ainsi que les câbles et disjoncteurs correspondants.

Figure 1. Schéma simplifié d'un système électrique typique de télécommunications en courant continu.

En cas de coupure de courant, le groupe électrogène diesel démarre automatiquement et alimente le système de ports CC en courant alternatif. Le système de transfert automatique (ATS) synchronise les tensions des différentes sources avec les équipements. La plupart des équipements de télécommunications du site nécessitant une alimentation CC, le courant alternatif provenant du réseau ou du groupe électrogène diesel est converti en -48 V_CC par des redresseurs. Ces redresseurs redondants permettent de convertir le courant alternatif en -48 V CC, lequel est utilisé pour charger les batteries et alimenter les charges critiques. Les batteries, de type flottant, fournissent une alimentation de -48 V_CC aux équipements de télécommunications ou autres charges en cas de défaillance des redresseurs. La station de base (BTS) ou le relais radio (RRH) ne détecte aucune différence d'alimentation et le fonctionnement reste normal. Dès le rétablissement du courant, les redresseurs reprennent le contrôle. En résumé, l'ensemble de l'installation fonctionne comme un système d'alimentation sans interruption (ASI) de grande capacité.

Limitations du convertisseur direct :
Maintenant que nous comprenons l’origine du -48 V_CC, examinons l’une des topologies PoL les plus utilisées dans l’industrie pour convertir le -48 V_CC en tensions positives. De nombreux concepteurs de PoL pour les télécommunications utilisent un convertisseur direct à limitation active pour implémenter leur conception buck-boost inversée. D’autres variantes de circuits sont également utilisées, telles que les convertisseurs push-pull, demi-pont ou pont complet. L’avantage réside dans la récupération de la majeure partie de l’énergie de fuite du transformateur grâce à sa méthode de récupération quasi sans pertes. Il est essentiel pour le concepteur de PoL de comprendre le fonctionnement temporel natif de la réinitialisation de la limitation active. En effet, un dimensionnement incorrect du condensateur de limitation peut entraîner une augmentation du rapport cyclique du PoL, ce qui peut provoquer la saturation du transformateur et affecter la fiabilité à long terme de l’interrupteur principal. La figure 2 illustre la conception d’un circuit de convertisseur direct à limitation active conventionnel avec réinitialisation du transformateur côté bas. Le mécanisme de réinitialisation du transformateur comprend le condensateur de limitation active (CCLAMP) et le transistor Q1.

Figure 2. Conception d'un convertisseur direct conventionnel avec réinitialisation par transformateur côté bas. Conception d'un convertisseur direct conventionnel avec limitation de réinitialisation active par transformateur côté bas.

Parmi les inconvénients du blocage actif, on peut citer la nécessité d'un dimensionnement précis du condensateur de blocage. Une capacité élevée réduit l'ondulation de tension, mais limite la réponse transitoire. La topologie directe du blocage actif requiert des techniques de contrôle avancées pour synchroniser le délai entre le blocage actif et l'ouverture du disjoncteur principal. Autre inconvénient : si le blocage n'est pas limité à sa valeur maximale, un rapport cyclique trop élevé peut entraîner la saturation du transformateur ou une surtension au niveau du disjoncteur principal, ce qui peut s'avérer catastrophique. Enfin, le convertisseur direct du blocage actif est un convertisseur CC-CC monophasé. Avec l'augmentation des niveaux de puissance (par exemple, les équipements de 800 W des systèmes 5G deviennent la norme), une conception multiphasée présentera davantage d'avantages pour ces applications haute puissance. Un convertisseur monophasé ne bénéficie pas des avantages d'un fonctionnement multiphasé entrelacé. De plus, une conception de blocage actif direct ne peut être adaptée à une puissance de sortie plus élevée avec des résultats comparables à ceux d'une conception à puissance de sortie inférieure. Le convertisseur buck-boost inversé MAX15258 est présenté dans la section suivante. La figure 3 illustre un schéma fonctionnel typique d'une alimentation pour carte RRU macro 5G ou Femto. Un circuit de commande remplaçable à chaud est presque toujours placé en amont du convertisseur -48 V_CCdes circuits de commande remplaçables à chaud_CC et parfaitement adaptés à ces applications.

Figure 3. Schéma fonctionnel d'une alimentation électrique pour une station de base macro 5G.

Circuits intégrés vedettes :
Le MAX15258 est un driver élévateur multiphase haute tension doté d'une interface numérique I2C, conçu pour prendre en charge jusqu'à deux drivers MOSFET et quatre MOSFET externes dans des configurations élévateur/abaisseur-élévateur inverseur monophasées ou biphasées. Deux drivers peuvent être empilés pour une configuration triphasée ou quadriphasée. Le composant contrôle les phases avec le déphasage approprié pour une annulation maximale de l'ondulation. Configuré en convertisseur abaisseur-élévateur inverseur, le MAX15258 intègre un commutateur de niveau de rétroaction haute tension pour la mesure différentielle de la tension de sortie. La figure 4 présente le schéma fonctionnel simplifié d'un convertisseur abaisseur-élévateur inverseur biphasé entrelacé.

Figure 4. Schéma fonctionnel simplifié d'un convertisseur buck-boost inversé à deux phases entrelacées.

Grâce à ce circuit intégré, les concepteurs n'ont plus besoin de tenir compte d'un éventuel déséquilibre de phase (15 à 20 %) lors des calculs de conception, contrairement aux convertisseurs directs. Le contrôleur repose sur une architecture à courant de crête à fréquence fixe, offrant une réponse transitoire rapide pour réguler la sortie. Un schéma fonctionnel détaillé de la boucle de contrôle est présenté dans la fiche technique du composant. Ce dernier surveille le courant MOSFET côté bas de chaque phase via RSENSE et utilise un signal de détection de courant différentiel pour garantir un équilibrage correct du courant de phase active lorsque deux circuits intégrés MAX15258 sont empilés dans une configuration de nœud hôte. Le déséquilibre de courant est appliqué au circuit de détection de courant cycle par cycle, servant de rétroaction et contribuant à réguler la charge afin qu'elle soit répartie uniformément entre les deux phases. En fonctionnement triphasé ou tétraphasé, le nœud utilise les signaux différentiels (CSIO+, CSIO-) pour communiquer son courant moyen au contrôleur hôte. Cette fonction précise d'équilibrage du courant est ce qui rend le MAX15258 si attractif pour les concepteurs de lignes de charge. La figure 5 présente le convertisseur buck-boost _inversé de 800 W, à 4 phases, avec _{une entrée} de -48 V et une sortie de +48 V. Les signaux CSIO+ et CSIO- relient les deux pilotes. Il est à noter que les broches SYNC des deux dispositifs sont également connectées afin d'assurer la synchronisation d'horloge pour le système de commutation de phase coordonnée.

Figure 5. Buck-boost inversé à 4 phases entrelacé -48 VIN à +48 VOUT 800 W avec signaux CSIO+ et CSIO- connectant les contrôleurs.

Le MAX15258 est avant tout un convertisseur élévateur fonctionnant à une fréquence relativement basse. Ceci réduit naturellement les pertes par commutation, qui constituent la principale source de pertes de puissance dans ce type de convertisseurs. Le composant est conçu pour supporter des fréquences de commutation jusqu'à 1 MHz. En fonctionnement multiphasé, les phases fonctionnent en parallèle à la même fréquence (mais de manière entrelacée). La fréquence équivalente totale est N × Freq, où N est le nombre de phases, mais les pertes sont celles propres à la fréquence de chaque convertisseur. L'entrelacement permet d'atténuer partiellement l'ondulation du courant vue par le condensateur de sortie. L'ondulation du courant d'entrée est considérablement réduite, ce qui permet d'utiliser des inductances d'entrée plus petites. L'utilisation de la technologie propriétaire d'inductance couplée (CL) d'ADI contribue également à atténuer l'ondulation du courant de sortie, permettant ainsi l'utilisation de condensateurs moins coûteux avec des valeurs nominales d'ondulation plus faibles. Il en résulte un rendement accru tout en réduisant l'encombrement global du circuit imprimé PoL. En résumé, ce dispositif offre une puissance de sortie élevée à une fréquence totale équivalente élevée, chaque convertisseur fonctionnant dans une zone de faibles pertes et de basses fréquences. C'est le secret de la solution de pointe du MAX15258 pour la conversion _CC et
La topologie à limitation active limite la possibilité d'atteindre des rapports cycliques élevés, ce qui rend difficile l'utilisation de certaines combinaisons de V _{_IN} V _{_OUT} . Avec les équipementiers de télécommunications qui combinent différentes bandes de fréquences sur les mêmes plateformes, la capacité à prendre en charge différentes plages de tension de sortie des amplificateurs de puissance est devenue une exigence majeure. La puissance de sortie d'un convertisseur à limitation active est limitée. Le MAX15258 répond aux exigences d'espacement des broches de la norme IPC9592B pour des tensions de crête jusqu'à 56 V. La norme IPC9592B fournit une formule pour calculer l'espacement nécessaire sur la surface du circuit imprimé pour des tensions de fonctionnement de 30 V à environ 100 V : Espacement (mm) = 0,1 + V _{_CRÊTE} × 0,01 (par exemple, pour 56 V, cela correspond à un espacement de 0,66 mm entre les broches haute tension et les autres broches).
En définitive, le convertisseur direct à limitation active nécessite trop d'étapes complexes pour éviter la saturation du transformateur. En revanche, le MAX15258 inverse automatiquement la tension, ce qui permet d'atteindre une puissance de sortie très élevée avec un rendement exceptionnel et un rapport cyclique supérieur. Ces caractéristiques permettent une conception de plateforme évolutive et empilable (jusqu'à quatre phases), offrant un contrôle flexible et stable du rapport cyclique pour s'adapter à une large gamme de valeurs de V_{_IN} et V _{_OUT} . La figure 6 présente les courbes de rendement d'un circuit de référence MAX15258 de 800 W, basé sur une inductance couplée à différentes valeurs de V_{_IN} et V _{_OUT.} Les graphiques démontrent clairement des rendements exceptionnels, de l'ordre de 98 % ou plus, grâce à des pertes par conduction réduites. Le tout à un coût relativement faible.

Figure 6. Courbes d'efficacité du MAX1525. Courbes d'efficacité du modèle de référence MAX15258 CL 800 W à différentes valeurs de V_IN et V_OUT.

Grâce à l'interface numérique I2C, l'utilisateur peut accéder à de nombreuses informations de télémétrie du MAX15258, telles que V_{_IN}, V_{_OUT}, les courants de phase et l'état des défauts. De plus, la tension de sortie peut être ajustée dynamiquement via cette interface. La figure 7a présente le diagramme de Bode mesuré du MAX15258 CL 800 W de référence, fonctionnant sous courant de charge en régime permanent à -48 V_{_IN} et +48 V_{_OUT} (16 AI_OUT). On obtient ainsi une marge de phase de 74,4° et une marge de gain de -20,7 dB. La figure 7b illustre les courbes de réponse transitoire de la charge. On constate que les transitions sont très nettes, sans dépassement ni oscillation.

Figure 7. (a) Diagramme de Bode mesuré en fonctionnement avec un courant de charge en régime permanent ; (b) réponse de charge transitoire : Ch3-V_OUT (AC), 1 V/div ; Ch2-ILOAD, 10 A/div.

Conclusion :
Les opérateurs de réseau devront déployer davantage de petites cellules, plus rapidement et dans un plus grand nombre d’endroits. De plus, les composants de conversion de puissance (PoL) de ces produits devront présenter un rendement élevé, d’au moins 98 %. Le convertisseur buck-boost haute tension MAX15258 offre une conception économique, efficace et évolutive, permettant d’ajouter ou de supprimer facilement des phases sur le même circuit imprimé. Ces avantages permettent aux concepteurs de convertisseurs de puissance d’améliorer le rendement de conversion. ADI continuera de relever ces défis, ainsi que d’autres similaires, en développant davantage de solutions de conversion de puissance haute tension -48 V_CC destinées au marché de la 5G, tout en s’appuyant sur sa vaste expertise en architectures d’alimentation.

À propos de l'auteur :
Hamed M. Sanogo est spécialiste du marché final pour le cloud et les communications au sein du groupe Applications globales d' Analog Devices. Diplômé d'une maîtrise en génie électrique (MSEE) de l'Université du Michigan-Dearborn, il a ensuite obtenu un MBA de l'Université de Dallas. Après ses études, Hamed a travaillé comme ingénieur de conception senior chez General Motors, puis comme ingénieur électricien senior et concepteur de cartes de bande de base Node B et RRH chez Motorola Solutions, avant de rejoindre ADI. Fort de 17 ans d'expérience, Hamed a occupé divers postes, notamment ceux d'ingénieur d'application (FAE), de responsable FAE, de chef de produit et, actuellement, de spécialiste du marché final pour les communications et le cloud.