如今，无线电设备已发展为多频段，功率放大器 (PA) 设计工程师正不断提升 PA 的输出功率。本文重点介绍 80 W PA 以及系统中多个 PA 的应用。1400 W 的远程无线电单元 (RRU) 平台已十分常见。然而，随着覆盖密度的增加，网络运营商希望这些 RRU 能够更高效、更可靠、更紧凑。负载点 (PoL) 必须在宽输入电压和工作温度范围内运行，而且最重要的是，必须经济高效。然而，对于需要 500 W 或更高功率的应用，由于需要先进的控制方案来维持有源钳位和主开关门动作之间的延迟时间，有源钳位正激变换器设计中次级电路的磁性设计和导通损耗变得难以控制。本文提出了一种可扩展、可堆叠的 -48 VDC PoL 解决方案，旨在应对高密度网络因网络流量的爆炸式增长而产生的高密度功率使用场景。
引言：
无线和电信网络系统通常采用-48V直流电源_。由于直流电源结构简单，因此无需逆变器即可使用电池构建备用电源系统。直流电可以存储在电池中，并在断电后继续运行一段时间。然而，-48V直流电压必须先转换为正的中间总线电压，然后才能升压为功率放大器（PA）供电，或降压为数字基带单元（BBU）所需的正电源。100W至350W的电源足以满足许多应用的需求。正激变换器是一个不错的选择，多年来一直应用于电信BBU和远程切换单元（RRU）。随着移动数据需求的不断增长，新的市场和应用也在不断涌现。目前，正激变换器面临着巨大的挑战，尤其是在这些新型无线电设计的输出功率需求超过 500 W 时。本文提出了一种可堆叠、可互锁的高压多相升降压逆变器控制器，旨在满足 5G 通信设备当前的所有需求和挑战。但首先，-48 V 直流电压从何而来_为什么 是负电位？

电信通信的典型直流电源系统：
电信和无线网络通常采用 -48V_直流电压，但这是为什么呢？简而言之，选择 -48V 直流_电压（也称为正极接地系统）是因为它既能提供足够的电力来支持电信信号，又能确保电信活动期间人体的安全。目前的安全标准和电气规范均认可 50V_电压 属于安全的低压电路。另一个原因是，-48V_直流电压 允许电信运营商轻松地使用串联的 12V 铅酸电池作为备用电源，以应对市电故障。48V 直流负电压_仍然 是提供有线和无线服务的通信设施的标准电压，因为它被认为比正电压对金属的腐蚀性更小（或至少能抑制电偶腐蚀）。图 1 展示了电信通信典型直流电源系统的简化示意图，重点说明了 -48V 直流_电压。电信直流电源系统通常包括国家电网、柴油发电机、自动作交流自动转换开关 (ATS)、配电系统、太阳能电池板或阵列、控制器和充电器、整流器、串联的备用电池以及相应的电缆和断路器。

图 1. 典型的直流电信电气系统的简化图。.

当市电断电时，柴油发电机会自动启动，为直流端口系统提供交流电。自动转换开关 (ATS) 会将来自各种电源的电压与设备同步。由于站点的大部分电信设备需要直流电源，因此来自市电或柴油发电机的交流电会通过整流器转换为 -48V_直流电 。这些冗余的整流器用于将交流电转换为 -48V 直流电，用于给电池充电和为关键负载供电。如果整流器发生故障，浮充式电池会为电信设备或其他负载提供 -48V_直流电 。基站收发信机 (BTS) 或区域接收机 (RRH) 不会感知到实际电源的任何变化，所有设备都会继续正常运行。当市电恢复时，整流器会恢复控制。实际上，整个设施就像一个大型不间断电源 (UPS) 一样运行。

正激变换器的局限性
既然我们已经了解了-48V_直流电压，接下来我们将讨论业界最常用的将-48V_直流电压 为正电压的电源上位（PoL）拓扑结构之一。许多电信PoL设计人员使用有源钳位正激变换器来实现其反向升降压设计。其他常用的电路版本包括推挽式、半桥式或全桥式变换器。其优势在于，大部分变压器漏电能量可以通过近乎无损的恢复方法回收。PoL设计人员首先必须了解有源钳位复位的基本固有时序。事实上，钳位电容容量选择不当会导致PoL占空比增加，进而导致变压器饱和，并对主开关的长期可靠性产生影响。图2展示了一个带有低侧变压器复位的传统有源钳位正激变换器电路的设计。变压器复位机制包括CCLAMP和Q1。

图2. 采用低侧变压器复位的传统正激变换器设计。一种采用低侧变压器进行有源复位钳位的传统正激变换器设计。.

主动钳位的一些缺点包括需要精确控制钳位电容的容量。较大的电容值可以降低电压纹波，但会限制瞬态响应。主动钳位的正向拓扑结构需要先进的控制技术来同步主动钳位和主断路器动作之间的延迟。另一个缺点是，如果钳位值未达到最大值，较高的占空比会导致变压器饱和或主断路器电压升高，这可能会造成灾难性后果。此外，主动钳位的正向变换器是单级DC-DC变换器。随着功率水平的提高——例如，5G系统中800W的设备正逐渐成为标准——多相设计在这些高功率应用中将展现出更多优势。单相变换器无法发挥交错多相运行的所有优势。此外，正向主动钳位设计无法扩展到更高的输出功率，也无法获得与低输出功率设计类似的效果。下一节将介绍MAX15258反向升降压变换器。图 3 显示了 5G 宏模块或毫安 RRU 板电源的典型高级框图。热插拔驱动器几乎总是位于 -48 V_直流转换器的上游。功能齐全的 -48 V_直流热插拔驱动器的例子包括 ADM1073 和 LTC4284，它们非常适合这些应用。

图 3. 电源 5G 宏基站电源的框图。.

特色集成电路：
MAX15258 是一款高压多相升压驱动器，带有 I2C 数字接口，设计用于支持最多两个 MOSFET 驱动器和四个外部 MOSFET，可配置为单相或两相升压/反相升降压转换器。两个驱动器可以堆叠使用，实现三相或四相配置。该器件通过适当的相移控制各相，以实现最大程度的纹波消除。当配置为反相升降压转换器时，MAX15258 具有内部高压反馈电平开关，用于差分检测输出电压。图 4 显示了交错式两相反相升降压转换器的简化框图。

图 4. 交错式两相反向升降压电路的简化框图。.

使用这款集成电路，设计人员无需像使用正激变换器设计那样，在设计计算中考虑潜在的相位不平衡（15% 至 20%）。该控制器基于固定频率峰值电流模式架构，可提供快速瞬态响应，从而调节输出。器件数据手册中提供了控制回路的详细框图。该器件通过 RSENSE 监测各相的低侧 MOSFET 电流，并使用差分电流检测信号，以确保在两个 MAX15258 集成电路堆叠于主机节点配置中时，各相电流保持平衡。电流不平衡作为反馈逐周期施加到电流检测电路，从而帮助调节负载电流，使其在两相之间均匀分布。在三相或四相运行中，节点器件使用差分信号（CSIO+、CSIO-）将其平均电流传递给主机控制器。正是这种精确的电流平衡功能，使得 MAX15258 对 PoL 设计人员如此具有吸引力。图 5 显示了 800W、4 相、-48V_输入 至 +48V_输出的 转换器，其中 CSIO+ 和 CSIO- 信号连接两个驱动器。请注意，两个器件的 SYNC 引脚也已连接，以确保协调相位切换方案的时钟同步。

图 5. 交错式 4 相反向升降压 -48 VIN 至 +48 VOUT 800 W，CSIO+ 和 CSIO- 信号连接控制器。.

MAX15258本质上是一款工作频率相对较低的升压转换器。这自然降低了开关损耗，而开关损耗是此类转换器功率损耗的主要来源。该器件设计支持高达1 MHz的开关频率。在多相工作模式下，各相并联工作，且频率相同（但交错工作）。总等效频率为N × Freq，其中N为相数，但损耗取决于每个转换器的频率。交错工作方式可以部分抵消输出电容上的纹波电流。输入纹波电流显著降低，从而可以使用更小的输入电感。ADI专有的耦合电感（CL）技术也有助于衰减输出纹波电流，从而可以使用纹波电流额定值更低的廉价电容。这提高了效率，同时减小了整个PoL PCB的尺寸。本质上，这可以在高等效总频率下提供高输出功率，但每个转换器都在低损耗、低频率区域工作。_直流。
有源钳位正激拓扑结构限制了实现高占空比的能力，使得某些输入电压(V_{_IN)} 和输出电压(V_{_OUT}。随着电信OEM厂商在同一平台上组合不同频段，支持不同的功率放大器(PA)输出电压范围已成为一项极具挑战性的要求。有源钳位正激转换器的输出功率是有限的。MAX15258满足IPC9592B标准中针对高达56V峰值电压的引脚间隙要求。IPC9592B标准提供了一个计算30V至约100V工作电压下PCB表面间隙的公式：间隙(mm) = 0.1 + V_{_PEAK} × 0.01（例如，在56V的情况下，这意味着高压引脚与其他引脚之间的间隙为0.66mm）。
归根结底，有源钳位正激变换器需要过多复杂的步骤来确保变压器不饱和。然而，MAX15258 可自动反转电压，从而实现极高的输出功率、卓越的效率和优异的占空比。这些特性使其能够实现可扩展且可堆叠的平台设计（最多四相），并提供灵活稳定的占空比控制，以适应各种 V_{_IN} 和 V_{_OUT 值}。图 6 显示了基于电感器耦合到不同 V_{_IN} 和 V_{_OUT 值的 800 W MAX15258 参考设计的效率曲线。} 图表清晰地展示了由于更低的导通损耗，其效率达到了同类最佳水平，在 98% 或更高。而且，所有这一切都以相对较低的成本实现。

图 6. MAX1525 的效率曲线。参考设计 MAX15258 CL 800 W 在不同 V_IN 和 V_{OUT 下的效率曲线。}

通过 I2C 数字接口，用户可以从 MAX15258 读取丰富的遥测信息，例如输入电压 (V<sub>_IN、输出电压 (V_{_OUT})、相电流和故障状态。此外，输出电压也可以通过数字接口动态调节。图 7a 展示了 MAX15258 CL 800 W 参考设计在 -48 V<sub>_IN 和 +48 V_{_OUT} (16 A_{_OUT}) 稳态负载电流下的实测波特图。结果表明，相位裕度为 74.4°，增益裕度为 -20.7 dB。图 7b 显示了负载瞬态响应曲线。可以看出，开关边沿非常干净，几乎没有过冲和振铃现象。

图 7. (a) 在稳态负载电流下测量的波特图；(b) 瞬态负载响应：通道 3-V_OUT (AC)，1 V/格；通道 2-ILOAD，10 A/格。

结论：
网络运营商需要比以往任何时候都更快地在更多地点部署更多小型基站。当然，这些产品的功率电平转换 (PoL) 组件必须具有极高的效率，功率转换效率至少达到 98%。MAX15258 高压逆变器升降压驱动器设计经济高效且可扩展，允许在同一 PCB 布局上轻松添加和移除相位。这些优势使电源转换器设计人员能够提高功率转换效率。ADI 将继续应对这些及类似的挑战，开发更多专为 5G 市场设计的 -48 V_直流 ，同时充分利用其在电源架构方面的丰富经验。

作者简介：
Analog Devices全球应用事业部云和通信终端市场专家。Hamed 毕业于密歇根大学迪尔伯恩分校，获得电子工程硕士学位，随后又在达拉斯大学获得工商管理硕士学位。毕业后，Hamed 曾在通用汽车担任高级设计工程师，并在加入 ADI 之前，在摩托罗拉解决方案公司担任高级电气工程师以及 Node B 和 RRH 基带板设计师。在过去的 17 年里，Hamed 担任过各种职务，包括现场应用工程师/现场应用工程师经理、产品线经理，目前担任通信和云终端市场专家。