Le radio sono ormai multibanda e i progettisti di amplificatori di potenza (PA) stanno spingendo la potenza di uscita dei PA verso limiti sempre più elevati. Questo articolo si concentra sugli amplificatori di potenza da 80 W con più PA nel sistema. È ormai comune vedere piattaforme di unità radio remote (RRU) da 1400 W. Tuttavia, gli operatori di rete desiderano che queste RRU siano più efficienti dal punto di vista energetico, più affidabili e più compatte, man mano che la densità di copertura aumenta. I punti di carico (PoL) devono funzionare con ampi intervalli di tensione di ingresso e temperatura di esercizio e, soprattutto, devono essere economicamente vantaggiosi. Tuttavia, per le applicazioni che richiedono 500 W o più di potenza, la progettazione magnetica e le perdite di conduzione nel circuito secondario di un convertitore forward a blocco attivo sono diventate difficili da gestire a causa della necessità di uno schema di controllo avanzato per mantenere la temporizzazione del ritardo tra il blocco attivo e l'azionamento del gate dell'interruttore principale. Questo articolo presenta una soluzione PoL a -48 VDC scalabile e impilabile che affronterà gli scenari di consumo energetico ad alta densità creati da queste reti ad alta densità a causa dell'enorme crescita del traffico di rete.
Introduzione:
I sistemi di rete wireless e di telecomunicazione funzionano tipicamente con alimentazione a -48 V CC_.Poiché l'alimentazione CC è più semplice, è stato possibile realizzare sistemi di alimentazione di backup utilizzando batterie senza la necessità di inverter. La corrente continua può essere immagazzinata nelle batterie, che possono quindi continuare a funzionare per un certo periodo di tempo dopo un'interruzione di corrente. Tuttavia, la tensione di -48 V CC deve essere prima convertita in una tensione di bus intermedia positiva prima di poter essere elevata per alimentare l'amplificatore di potenza (PA) o ridotta a una tensione positiva utilizzabile per le unità di banda base digitali (BBU). Un alimentatore con una capacità da 100 W a 350 W era sufficiente per molte applicazioni. I convertitori forward rappresentavano una buona soluzione e sono stati utilizzati per anni nelle BBU di telecomunicazione e nelle unità di turnaround remote (RRU). Con la crescente domanda di dati mobili, continuano ad emergere nuovi mercati e applicazioni. Attualmente, i convertitori forward presentano sfide significative, soprattutto quando i requisiti di potenza in uscita per questi nuovi progetti radio superano i 500 W. In questo articolo, presentiamo un controller per inverter buck-boost multifase ad alta tensione, impilabile e interbloccabile, in grado di soddisfare tutti i requisiti e le sfide per rispondere alle attuali esigenze delle apparecchiature di telecomunicazione 5G. Ma prima, da dove provengono i -48 V CC_e perché questo potenziale negativo?

Sistema di alimentazione CC tipico per le telecomunicazioni:
le reti di telecomunicazione e wireless operano tipicamente a -48 V_CC, ma perché? In breve, -48 V_CC, noto anche come sistema a massa positiva, è stato scelto perché fornisce energia sufficiente a supportare un segnale di telecomunicazione, risultando al contempo più sicuro per il corpo umano durante le attività di telecomunicazione. Gli attuali standard di sicurezza e i codici elettrici accettano che qualsiasi circuito che operi a 50 V_CC o meno sia un circuito a bassa tensione sicuro. Un altro motivo è che -48 V_CC consente agli operatori di telecomunicazioni di utilizzare facilmente batterie al piombo da 12 V collegate in serie come fonte di alimentazione di backup in caso di interruzione della corrente di rete. La tensione negativa di 48 V_CC rimane lo standard negli impianti di comunicazione che forniscono servizi cablati e wireless, poiché si ritiene che causi meno corrosione (o almeno inibisca la corrosione galvanica) nei metalli rispetto alle tensioni positive. La Figura 1 presenta uno schema semplificato di un tipico sistema di alimentazione CC per le telecomunicazioni, evidenziando come vengono generati e distribuiti i -48 V_CC. Il sistema di alimentazione in corrente continua per le telecomunicazioni comprende in genere la rete elettrica nazionale, un generatore diesel, un interruttore automatico di trasferimento in corrente alternata (ATS) ad azionamento automatico, un sistema di distribuzione dell'energia, pannelli o array solari, regolatori e caricabatterie, raddrizzatori, batterie di riserva collegate in serie e i relativi cavi e interruttori automatici.

Figura 1. Schema semplificato di un tipico sistema elettrico di telecomunicazione in corrente continua.

In caso di interruzione dell'alimentazione di rete, il generatore diesel è progettato per avviarsi automaticamente, fornendo alimentazione CA al sistema della porta CC. L'ATS sincronizza le tensioni provenienti dalle varie fonti con le apparecchiature. Poiché la maggior parte delle apparecchiature di telecomunicazione del sito richiede un'alimentazione CC, la corrente CA proveniente dalla rete o dal generatore diesel viene convertita in -48 V_CC tramite raddrizzatori. Questi raddrizzatori ridondanti vengono utilizzati per convertire la corrente CA in -48 V CC, che viene utilizzata per caricare le batterie e alimentare i carichi critici. Le batterie, di tipo a tampone, forniscono alimentazione a -48 V_CC alle apparecchiature di telecomunicazione o ad altri carichi in caso di guasto dei raddrizzatori. La BTS o l'RRH non rilevano alcuna differenza nell'alimentazione effettiva e tutto continua a funzionare normalmente. Quando l'alimentazione di rete viene ripristinata, i raddrizzatori riprendono il controllo. In sostanza, l'intera struttura funziona come un unico grande gruppo di continuità (UPS).

Limitazioni del convertitore forward
Ora che abbiamo capito da dove proviene la tensione di -48 V_CC, analizziamo una delle topologie PoL più utilizzate nel settore per convertire -48 V_CC in tensioni positive. Molti progettisti di PoL per telecomunicazioni utilizzano un convertitore forward a clamp attivo per implementare il loro progetto buck-boost invertito. Altre versioni di circuito utilizzate sono i convertitori push-pull, half-bridge o full-bridge. Il vantaggio è che la maggior parte dell'energia di dispersione del trasformatore viene recuperata tramite il suo metodo di recupero quasi senza perdite. È importante che il progettista di PoL comprenda innanzitutto la temporizzazione nativa di base del reset a clamp attivo. Infatti, un dimensionamento errato del condensatore di clamp può portare a un aumento del duty cycle del PoL, che può causare la saturazione del trasformatore e un effetto a lungo termine sull'affidabilità dell'interruttore principale. La Figura 2 mostra il progetto di un circuito convertitore forward a clamp attivo convenzionale con reset del trasformatore low-side. Il meccanismo di reset del trasformatore include il CCLAMP e Q1.

Figura 2. Schema di un convertitore forward convenzionale con reset tramite trasformatore low-side. Schema di un convertitore forward convenzionale con blocco di reset attivo tramite trasformatore low-side.

Tra gli svantaggi associati al bloccaggio attivo vi è la necessità di un dimensionamento preciso del condensatore di bloccaggio. Un valore elevato del condensatore si traduce in una minore ondulazione di tensione, ma introduce una limitazione nella risposta ai transitori. La topologia diretta del bloccaggio attivo richiede tecniche di controllo avanzate per sincronizzare il ritardo tra il bloccaggio attivo e l'azionamento del gate dell'interruttore principale. Un altro svantaggio è che, se non bloccato al valore massimo, un duty cycle più elevato può portare alla saturazione del trasformatore o a una tensione più elevata sull'interruttore principale, il che può essere catastrofico. Infine, il convertitore diretto del bloccaggio attivo è un convertitore DC-DC a singolo stadio. Con l'aumento dei livelli di potenza – ad esempio, le apparecchiature da 800 W nei sistemi 5G stanno diventando la norma – una progettazione multifase mostrerà maggiori vantaggi per queste applicazioni ad alta potenza. Un convertitore monofase non beneficia di tutti i vantaggi derivanti dall'utilizzo di un funzionamento multifase interlacciato. Inoltre, una progettazione con bloccaggio attivo diretto non può essere scalata a una potenza di uscita maggiore con risultati simili a quelli di una progettazione a potenza di uscita inferiore. Nella sezione successiva viene presentato il convertitore buck-boost invertito MAX15258. La Figura 3 mostra un tipico diagramma a blocchi di alto livello di un alimentatore per schede RRU 5G macro o Femto. Un driver hot-swap è quasi sempre posizionato a monte del convertitore a -48 V_CCdriver hot-swap_CC sono l'ADM1073 e l'LTC4284, che sono particolarmente adatti a queste applicazioni.

Figura 3. Alimentatore Diagramma a blocchi di un alimentatore per una stazione base macro 5G.

Circuiti integrati in evidenza:
Il MAX15258 è un driver boost multifase ad alta tensione con interfaccia digitale I2C, progettato per supportare fino a due driver MOSFET e quattro MOSFET esterni in configurazioni boost/buck-boost invertente monofase o bifase. Due driver possono essere impilati per una configurazione trifase o quadrifase. Il dispositivo controlla le fasi con lo sfasamento appropriato per ottenere la massima cancellazione dell'ondulazione. Quando configurato come convertitore buck-boost invertente, il MAX15258 dispone di un interruttore interno di livello di feedback ad alta tensione per rilevare in modo differenziale la tensione di uscita. La Figura 4 mostra lo schema a blocchi semplificato di un convertitore buck-boost invertente bifase interleaved.

Figura 4. Diagramma a blocchi semplificato di un convertitore buck-boost invertito a due fasi interlacciate.

Con questo circuito integrato, i progettisti non devono tenere conto di un potenziale squilibrio di fase (dal 15% al ​​20%) durante i calcoli di progettazione, come avverrebbe con i convertitori forward. Il controller si basa su un'architettura in modalità corrente di picco a frequenza fissa, che fornisce una risposta transitoria rapida per regolare l'uscita. Un diagramma a blocchi dettagliato del circuito di controllo è mostrato nel datasheet del dispositivo. Il dispositivo monitora la corrente del MOSFET di lato basso di ciascuna fase tramite RSENSE e utilizza un segnale di rilevamento della corrente differenziale per garantire un corretto bilanciamento della corrente di fase attiva quando due circuiti integrati MAX15258 sono impilati in una configurazione di nodo host. Lo squilibrio di corrente viene applicato al circuito di rilevamento della corrente ciclo per ciclo come feedback, contribuendo a regolare la corrente di carico in modo che sia distribuita uniformemente tra le due fasi. In funzionamento trifase o quadrifase, il dispositivo del nodo utilizza i segnali differenziali (CSIO+, CSIO-) per comunicare la sua corrente media al controller host. Questa precisa funzione di bilanciamento della corrente è ciò che ha reso il MAX15258 così interessante per i progettisti PoL. La Figura 5 mostra il convertitore buck-boost invertito da 800 W, a 4 fasi, da -48 V_IN a +48 V_OUT, con i segnali CSIO+ e CSIO- che collegano i due driver. Si noti che anche i pin SYNC di entrambi i dispositivi sono collegati per garantire la sincronizzazione del clock per lo schema di commutazione di fase coordinata.

Figura 5. Convertitore Buck-boost invertito a 4 fasi interlacciato da -48 VIN a +48 VOUT 800 W con segnali CSIO+ e CSIO- che collegano i controller.

Il MAX15258 è fondamentalmente un convertitore boost che opera a una frequenza relativamente bassa. Questo riduce naturalmente le perdite di commutazione, che rappresentano la principale causa di perdita di potenza in questi convertitori. Il dispositivo è progettato per supportare frequenze di commutazione fino a 1 MHz. In modalità multifase, le fasi operano in parallelo e tutte alla stessa frequenza (ma interlacciate). La frequenza equivalente totale è N × Freq, dove N è il numero di fasi, ma le perdite sono quelle della frequenza di ciascun convertitore. L'implementazione interlacciata comporta una parziale cancellazione della corrente di ripple vista dal condensatore di uscita. La corrente di ripple in ingresso è significativamente ridotta, consentendo l'utilizzo di induttori di ingresso più piccoli. L'utilizzo della tecnologia proprietaria ADI a induttore accoppiato (CL) contribuisce inoltre ad attenuare la corrente di ripple in uscita, consentendo l'utilizzo di condensatori meno costosi con valori nominali di corrente di ripple inferiori. Ciò si traduce in una maggiore efficienza e in una riduzione dell'ingombro complessivo del PCB PoL. In sostanza, questo permette di ottenere un'elevata potenza di uscita a un'alta frequenza totale equivalente, con ciascun convertitore che opera in una regione a bassa frequenza e basse perdite. Questa è la chiave della soluzione all'avanguardia del MAX15258 per la conversione da -48 V_CC.
La topologia forward con clamp attivo limita la capacità di raggiungere cicli di lavoro elevati, rendendo difficile il funzionamento di determinate combinazioni di V_IN e V_OUT. Con i produttori di apparecchiature per telecomunicazioni che combinano diverse bande di frequenza sulle stesse piattaforme, la capacità di supportare diversi intervalli di tensione di uscita dell'amplificatore di potenza è diventata un requisito impegnativo. La potenza di uscita di un convertitore forward con clamp attivo è limitata. Il MAX15258 soddisfa il requisito di distanza tra i pin IPC9592B per tensioni di picco fino a 56 V. Lo standard IPC9592B fornisce una formula per il calcolo della distanza dalla superficie del PCB per tensioni operative da 30 V a circa 100 V: Distanza (mm) = 0,1 + V_PEAK × 0,01 (ad esempio, nel caso di 56 V, ciò si traduce in una distanza di 0,66 mm tra i pin ad alta tensione e gli altri pin).
In definitiva, il convertitore forward a morsetto attivo richiede troppi passaggi complessi per garantire che il trasformatore non vada in saturazione. Il MAX15258, invece, inverte automaticamente la tensione, raggiungendo una potenza di uscita molto elevata con un'efficienza eccezionale e un duty cycle superiore. Queste caratteristiche consentono una progettazione della piattaforma scalabile e impilabile (fino a quattro fasi), fornendo un controllo del duty cycle flessibile e stabile per adattarsi a un'ampia gamma di valori di V_{_IN} e V_{_OUT}. La Figura 6 mostra le curve di efficienza di un progetto di riferimento MAX15258 da 800 W basato su un induttore accoppiato a diversi valori di V_{_IN} e V_{_OUT.} I grafici dimostrano chiaramente valori di efficienza ai vertici della categoria, nell'ordine del 98% o superiori, grazie alle minori perdite di conduzione. E tutto questo a un costo relativamente inferiore.

Figura 6. Curve di efficienza del MAX1525. Curve di efficienza del progetto di riferimento MAX15258 CL 800 W a diversi valori di V_IN e V_OUT.

Tramite l'interfaccia digitale I2C, l'utente può leggere una vasta gamma di informazioni di telemetria dal MAX15258, come V_IN, V_OUT, correnti di fase e stato di guasto. Inoltre, la tensione di uscita può essere regolata dinamicamente tramite l'interfaccia digitale. La Figura 7a presenta il diagramma di Bode misurato del progetto di riferimento MAX15258 CL 800 W operante con corrente di carico stazionaria a -48 V_IN e +48 V_OUT (16 AI_OUT). Il risultato è un margine di fase di 74,4° e un margine di guadagno di -20,7 dB. La Figura 7b mostra i grafici della risposta transitoria al carico. Come si può notare, i fronti di commutazione sono molto puliti, praticamente senza overshoot e senza oscillazioni.

Figura 7. (a) Diagramma di Bode misurato in funzione con corrente di carico a regime; (b) risposta al carico transitorio: Ch3-V_OUT (AC), 1 V/div; Ch2-ILOAD, 10 A/div.

In conclusione:
gli operatori di rete dovranno implementare un numero maggiore di small cell in più località e con una velocità senza precedenti. Naturalmente, i componenti power-to-level (PoL) di questi prodotti dovranno essere altamente efficienti, con un'efficienza di conversione di potenza di almeno il 98%. Il design del driver buck-boost per inverter ad alta tensione MAX15258 è conveniente, efficiente e scalabile, consentendo di aggiungere e rimuovere facilmente fasi sullo stesso layout PCB. Questi vantaggi permettono ai progettisti di convertitori di potenza di aumentare l'efficienza di conversione. ADI continuerà ad affrontare queste e simili sfide sviluppando ulteriori soluzioni di conversione di potenza ad alta tensione a -48 V_CC progettate per il mercato 5G, sfruttando la sua considerevole esperienza nelle architetture di alimentazione.

Informazioni sull'autore:
Hamed M. Sanogo è uno specialista del mercato finale per il cloud e le comunicazioni nel Global Applications Group di Analog Devices. Hamed si è laureato in Ingegneria Elettrica (MSEE) presso l'Università del Michigan-Dearborn e successivamente ha conseguito un MBA presso l'Università di Dallas. Dopo la laurea, Hamed ha lavorato come ingegnere progettista senior presso General Motors e come ingegnere elettrico senior e progettista di schede di banda base Node B e RRH presso Motorola Solutions, prima di entrare in ADI. Hamed ha trascorso gli ultimi 17 anni ricoprendo diversi ruoli, tra cui FAE/responsabile FAE, responsabile di linea di prodotto e, attualmente, specialista del mercato finale per le comunicazioni e il cloud.