Современные радиосистемы являются многодиапазонными, и инженеры-конструкторы усилителей мощности (УМ) стремятся к достижению более высоких пределов выходной мощности. В этой статье рассматриваются УМ мощностью 80 Вт с несколькими УМ в системе. Платформы удаленных радиомодулей (RRU) мощностью 1400 Вт стали обычным явлением. Однако операторы сетей хотят, чтобы эти RRU были более энергоэффективными, надежными и компактными по мере увеличения плотности покрытия. Точки нагрузки (PoL) должны работать с широким диапазоном входных напряжений и рабочих температур и, что наиболее важно, быть экономически эффективными. Однако для приложений, требующих мощности 500 Вт и более, магнитные потери и потери проводимости во вторичной цепи преобразователя с активным ограничением становятся сложными для управления из-за необходимости в усовершенствованной схеме управления для поддержания задержки синхронизации между активным ограничением и срабатыванием затвора главного переключателя. В этой статье представлено масштабируемое и стекируемое решение для точек нагрузки -48 В постоянного тока, которое позволит справиться с сценариями использования высокой плотности мощности, создаваемыми такими сетями высокой плотности из-за колоссального роста сетевого трафика.
Введение:
Беспроводные и телекоммуникационные сетевые системы обычно работают от постоянного тока напряжением -48 В._{Поскольку}постоянный ток проще, стало возможным создание резервных систем питания с использованием батарей без необходимости в инверторах. Постоянный ток может храниться в батареях, и они могут продолжать работать в течение некоторого времени после отключения электроэнергии. Однако напряжение -48 В постоянного тока сначала необходимо преобразовать в положительное напряжение промежуточной шины, прежде чем его можно будет повысить для питания усилителя мощности (УП) или понизить до приемлемого положительного напряжения для цифровых блоков базовой полосы (ББП). Источник питания мощностью от 100 до 350 Вт был достаточен для многих применений. Прямоходовые преобразователи были хорошим выбором и уже много лет используются в телекоммуникационных ББП и удаленных блоках переключения (УБП). С ростом спроса на мобильные данные продолжают появляться новые рынки и приложения. В настоящее время прямоходовые преобразователи сталкиваются со значительными проблемами, особенно когда требования к выходной мощности для новых радиосистем превышают 500 Вт. В этой статье мы представляем многофазный высоковольтный понижающе-повышающий инверторный контроллер с возможностью последовательного подключения и блокировки, который позволит решить все задачи и проблемы, необходимые для удовлетворения современных требований к телекоммуникационному оборудованию 5G. Но сначала, откуда берется -48 В постоянного тока_и почему отрицательный потенциал?

Типичная система питания постоянного тока для телекоммуникаций:
Телекоммуникационные и беспроводные сети обычно работают на_{постоянном напряжении}, но почему? Вкратце, -48 В_{постоянного тока}, также известное как система с положительным заземлением, было выбрано потому, что оно обеспечивает достаточную мощность для поддержки телекоммуникационного сигнала, будучи при этом более безопасным для человеческого организма во время телекоммуникационной деятельности. Современные стандарты безопасности и электротехнические нормы допускают, что любая цепь, работающая при напряжении 50 В_{постоянного тока} или ниже, является безопасной низковольтной цепью. Еще одна причина заключается в том, что -48 В_{постоянного тока} позволяет операторам связи легко использовать 12-вольтовые свинцово-кислотные батареи, соединенные последовательно, в качестве резервного источника питания в случае отключения электроэнергии. Отрицательное напряжение 48 В_{постоянного тока} остается стандартом в коммуникационных установках, предоставляющих проводные и беспроводные услуги, поскольку считается, что оно вызывает меньшую коррозию (или, по крайней мере, препятствует гальванической коррозии) металла, чем положительное напряжение. На рисунке 1 представлена ​​упрощенная схема типичной системы питания постоянного тока для телекоммуникаций, подчеркивающая, как генерируется и распределяется -48 В_{постоянного тока}. Система электропитания постоянного тока для телекоммуникаций обычно включает в себя национальную электросеть, дизель-генератор, автоматический переключатель переменного тока (ATS) с саморегулирующимся режимом работы, систему распределения электроэнергии, солнечные панели или батареи, контроллеры и зарядные устройства, выпрямители, резервные батареи, соединенные последовательно, а также соответствующие кабели и автоматические выключатели.

Рисунок 1. Упрощенная схема типичной электрической системы постоянного тока для телекоммуникаций.

При отключении основного электропитания дизель-генератор автоматически запускается, подавая переменный ток на систему постоянного тока. Автоматический переключатель нагрузки (ATS) синхронизирует напряжения от различных источников с оборудованием. Поскольку большая часть телекоммуникационного оборудования объекта требует питания постоянным током, переменный ток от сети или дизель-генератора преобразуется в -48 В_{постоянного тока} с помощью выпрямителей. Эти резервные выпрямители используются для преобразования переменного тока в -48 В постоянного тока, который используется для зарядки аккумуляторов и питания критически важных нагрузок. Аккумуляторы, имеющие режим поддержания заряда, обеспечивают питание -48 В_{постоянного тока} для телекоммуникационного оборудования или других нагрузок в случае отказа выпрямителей. Базовая станция (BTS) или резервный источник питания (RRH) не замечают никаких изменений в фактическом напряжении питания, и все продолжает работать в обычном режиме. При восстановлении основного электропитания выпрямители возобновляют управление. По сути, весь объект функционирует как один большой источник бесперебойного питания (ИБП).

Ограничения прямого преобразователя.
Теперь, когда мы понимаем, откуда берется -48 В_{постоянного тока}, давайте обсудим одну из наиболее широко используемых в отрасли топологий PoL для преобразования -48 В_{постоянного тока} в положительные напряжения. Многие разработчики PoL в телекоммуникационной отрасли используют прямой преобразователь с активным ограничением для реализации своей инвертированной схемы понижающе-повышающего преобразователя. Также используются другие варианты схем, такие как двухтактные, полумостовые или полномостовые преобразователи. Преимущество заключается в том, что большая часть энергии утечки трансформатора восстанавливается благодаря практически безпотерьному методу восстановления. Для разработчика PoL важно сначала понять базовые параметры синхронизации активного ограничения при сбросе. Фактически, неправильный выбор размера конденсатора ограничения может привести к увеличению коэффициента заполнения PoL, что может вызвать насыщение трансформатора и повлиять на долговременную надежность главного ключа. На рисунке 2 показана схема обычного прямого преобразователя с активным ограничением и сбросом трансформатора на нижнем плече. Механизм сброса трансформатора включает в себя CCLAMP и Q1.

Рисунок 2. Конструкция обычного прямоходового преобразователя с трансформатором сброса на нижнем плече. Конструкция обычного прямоходового преобразователя с активным ограничением сброса с помощью трансформатора на нижнем плече.

К недостаткам активного ограничения напряжения относится необходимость точного подбора емкости конденсатора. Большая емкость конденсатора приводит к уменьшению пульсаций напряжения, но ограничивает переходные процессы. Прямая топология активного ограничения напряжения требует применения сложных методов управления для синхронизации задержки между активным ограничением и срабатыванием затвора главного выключателя. Еще одним недостатком является то, что, если напряжение не ограничено максимальным значением, более высокий коэффициент заполнения может привести к насыщению трансформатора или повышению напряжения на главном выключателе, что может иметь катастрофические последствия. Наконец, прямой преобразователь активного ограничения напряжения представляет собой одноступенчатый DC-DC преобразователь. По мере увеличения мощности — например, оборудование мощностью 800 Вт в системах 5G становится нормой — многофазная конструкция будет демонстрировать больше преимуществ для таких мощных приложений. Однофазный преобразователь лишается всех преимуществ использования чередующейся многофазной работы. Кроме того, конструкция прямого активного ограничения напряжения не может быть масштабирована до более высокой выходной мощности с результатами, аналогичными результатам конструкции с более низкой выходной мощностью. Инвертированный понижающе-повышающий преобразователь MAX15258 представлен в следующем разделе. На рисунке 3 показана типичная высокоуровневая блок-схема источника питания платы 5G macro или Femto RRU. Драйвер с возможностью горячей замены почти всегда размещается перед преобразователем _{постоянного тока} -48 В. Примерами полнофункциональных драйверов _{постоянного тока} -48 В с возможностью горячей замены являются ADM1073 и LTC4284, которые хорошо подходят для таких применений.

Рисунок 3. Блок-схема источника питания для макробазовой станции 5G.

Основные характеристики интегральной схемы:
MAX15258 — это высоковольтный многофазный повышающий драйвер с цифровым интерфейсом I2C, предназначенный для поддержки до двух драйверов MOSFET и четырех внешних MOSFET в однофазной или двухфазной конфигурации повышающего/инвертирующего понижающе-повышающего преобразователя. Два драйвера могут быть объединены в стек для трехфазной или четырехфазной конфигурации. Устройство управляет фазами с соответствующим фазовым сдвигом для достижения максимального подавления пульсаций. При настройке в качестве инвертирующего понижающе-повышающего преобразователя MAX15258 имеет внутренний высоковольтный переключатель уровня обратной связи для дифференциального измерения выходного напряжения. На рисунке 4 показана упрощенная блок-схема чередующегося двухфазного инвертирующего понижающе-повышающего преобразователя.

Рисунок 4. Упрощенная блок-схема двухфазного инвертированного повышающе-понижающего преобразователя с чередованием фаз.

Благодаря этой интегральной схеме разработчикам не нужно учитывать потенциальный фазовый дисбаланс (от 15% до 20%) при расчетах, как это было бы в случае с преобразователями прямого хода. Контроллер основан на архитектуре с фиксированной частотой и пиковым током, что обеспечивает быструю переходную характеристику для регулирования выходного сигнала. Подробная блок-схема контура управления приведена в техническом описании устройства. Устройство контролирует ток нижнего MOSFET-транзистора каждой фазы через RSENSE и использует дифференциальный сигнал измерения тока для обеспечения надлежащего баланса тока активной фазы при размещении двух интегральных схем MAX15258 в конфигурации хост-узла. Дисбаланс тока подается на схему измерения тока цикл за циклом в качестве обратной связи, помогая регулировать ток нагрузки таким образом, чтобы он равномерно распределялся между двумя фазами. В трехфазном или четырехфазном режиме работы устройство узла использует дифференциальные сигналы (CSIO+, CSIO-) для передачи своего среднего тока контроллеру хоста. Именно эта функция точного баланса тока сделала MAX15258 таким привлекательным для разработчиков PoL-преобразователей. На рисунке 5 показан инвертированный повышающе-понижающий преобразователь мощностью 800 Вт, 4-фазный, с _{входным напряжением} -48 В и _{выходным} напряжением +48 В , где сигналы CSIO+ и CSIO- соединяют два драйвера. Обратите внимание, что выводы SYNC обоих устройств также соединены для обеспечения синхронизации тактовых сигналов в рамках схемы скоординированного переключения фаз.

Рисунок 5. Чередующийся 4-фазный инвертированный понижающе-повышающий преобразователь -48 В входного напряжения до +48 В выходного напряжения, мощностью 800 Вт, с сигналами CSIO+ и CSIO-, соединяющими контроллеры.

Повторюсь, MAX15258 — это, по сути, повышающий преобразователь, работающий на относительно низкой частоте. Это, естественно, снижает потери при переключении, которые являются основным источником потерь мощности в таких преобразователях. Устройство рассчитано на работу с частотами переключения до 1 МГц. В многофазном режиме работы фазы работают параллельно и на одной и той же частоте (но чередуются). Суммарная эквивалентная частота равна N × Freq, где N — количество фаз, но потери соответствуют частоте каждого преобразователя. Чередующаяся реализация приводит к некоторому уменьшению пульсаций тока, воздействующих на выходной конденсатор. Пульсации входного тока значительно снижаются, что позволяет использовать индукторы меньшего диаметра. Использование запатентованной технологии связанных индукторов (CL) от ADI также помогает ослабить пульсации выходного тока, что позволяет использовать более дешевые конденсаторы с меньшими номинальными значениями пульсаций тока. Это приводит к повышению эффективности при одновременном уменьшении общей площади печатной платы PoL. По сути, это обеспечивает высокую выходную мощность при высокой эквивалентной суммарной частоте, но при этом каждый преобразователь работает в низкочастотном диапазоне с низкими потерями. Это ключ к передовому решению MAX15258 для преобразования постоянного тока -48 В. Топология _с
активным ограничением частоты ограничивает возможность достижения высоких коэффициентов заполнения, что затрудняет работу с определенными комбинациями _{входного} и _{выходного} напряжений . Поскольку производители телекоммуникационного оборудования объединяют различные частотные диапазоны на одних и тех же платформах, возможность поддержки различных диапазонов выходного напряжения усилителя мощности стала сложной задачей. Выходная мощность преобразователя с активным ограничением частоты ограничена. Микросхема MAX15258 соответствует требованиям стандарта IPC9592B к зазору между выводами для пиковых напряжений до 56 В. Стандарт IPC9592B предоставляет формулу для расчета зазора на поверхности печатной платы для рабочих напряжений от 30 В до приблизительно 100 В: Зазор (мм) = 0,1 + V _PEAK × 0,01 (например, в случае 56 В это соответствует зазору 0,66 мм между высоковольтными выводами и другими выводами).
В конечном итоге, активный прямоходовой преобразователь с ограничителем напряжения требует слишком много сложных шагов для предотвращения насыщения трансформатора. Однако MAX15258 автоматически меняет направление напряжения, обеспечивая очень высокую выходную мощность с исключительной эффективностью и превосходным коэффициентом заполнения. Эти особенности позволяют создать масштабируемую и многослойную платформу (до четырех фаз), обеспечивающую гибкое и стабильное управление коэффициентом заполнения для широкого диапазона значений V_{_IN} и V _{_OUT} . На рисунке 6 показаны кривые эффективности эталонной конструкции MAX15258 мощностью 800 Вт, основанной на индукторе, подключенном к различным _{значениям} V_{_IN} и V _OUT. Графики наглядно демонстрируют лучшие в своем классе показатели эффективности в диапазоне 98% и выше благодаря низким потерям проводимости. И все это при сравнительно низкой стоимости.

Рисунок 6. Кривые эффективности MAX1525. Кривые эффективности эталонной конструкции MAX15258 CL 800 Вт при различных значениях VIN_и VOUT_.

Через цифровой интерфейс I2C пользователь может считывать множество телеметрической информации с MAX15258, такой как VIN_,VOUT_,фазные токи и состояние неисправности. Кроме того, выходное напряжение может динамически регулироваться через цифровой интерфейс. На рисунке 7a представлена ​​измеренная диаграмма Боде эталонной схемы MAX15258 CL 800 Вт, работающей при установившемся токе нагрузки -48 В_IN и +48 В_OUT (16 AI_OUT). Результатом является запас по фазе 74,4° и запас по усилению -20,7 дБ. На рисунке 7b показаны графики переходной характеристики нагрузки. Как видно, фронты переключения очень чистые, практически без выброса и колебаний.

Рисунок 7. (а) Диаграмма Боде, измеренная в рабочем режиме при установившемся токе нагрузки; (б) переходная характеристика нагрузки: Ch3-V_OUT (AC), 1 В/дел; Ch2-ILOAD, 10 А/дел.

Заключение:
Операторам связи потребуется развертывать больше малых сот в большем количестве мест и быстрее, чем когда-либо прежде. И, конечно же, компоненты преобразования мощности (PoL) в этих продуктах должны обладать высокой эффективностью, с КПД преобразования энергии не менее 98%. Конструкция высоковольтного инвертора MAX15258 с повышающе-понижающим преобразователем является экономичной, эффективной и масштабируемой, что позволяет легко добавлять и удалять фазы на одной и той же печатной плате. Эти преимущества позволяют разработчикам преобразователей мощности повышать эффективность преобразования энергии. ADI продолжит решать эти и подобные задачи, разрабатывая больше_{постоянного тока} , предназначенных для рынка 5G, используя свой значительный опыт в области архитектуры источников питания.

Об авторе:
Хамед М. Саного — специалист по облачным и коммуникационным решениям в Global Applications Group компании Analog Devices. Хамед получил степень магистра электротехники в Мичиганском университете в Дирборне, а затем степень магистра делового администрирования в Университете Далласа. После окончания университета Хамед работал старшим инженером-конструктором в General Motors, а также старшим инженером-электриком и разработчиком плат базовой полосы Node B и RRH в Motorola Solutions, прежде чем присоединиться к ADI. За последние 17 лет Хамед занимал различные должности, включая инженера по технической поддержке/менеджера по технической поддержке, менеджера продуктовой линейки, а в настоящее время — специалиста по коммуникационным и облачным решениям.