Opnåelse af høj effektivitet i strømforsyninger til telekommunikation

Telekommunikationssektoren er blevet et vigtigt element i det moderne samfund og øjeblikkelig globale kommunikation. Uanset om det drejer sig om et telefonopkald, en sms eller en webkommando, sikrer telekommunikationsudstyr pålidelige forbindelser. Strømforsyningen, der arbejder bag kulisserne, er en vigtig komponent, som sjældent anerkendes.

Denne artikel fokuserer på Analog Devices MAX15258, som er designet til at rumme op til to MOSFET-drivere og fire eksterne MOSFET'er i enfasede eller tofasede boost/inverting-buck-boost-konfigurationer. Det er muligt at kombinere to enheder til tre- eller firefaset drift og dermed opnå højere udgangseffekt og effektivitet.

Opfylder behovet for øget efterspørgsel på strøm

Efterspørgslen på strøm inden for telekommunikationsindustrien er vokset over tid, drevet af den teknologiske udvikling, øget netværkstrafik og udbygningen af telekommunikationsinfrastrukturen. Overgangen fra tredje generation (3G) til fjerde generation (4G) og femte generation (5G) netværk har ført til avanceret udstyr med høj effekt.

Udrulningen af 5G-teknologi har haft en betydelig indvirkning på strømkravene til basestationer og mobilmaster. Basestationer, især dem i byområder, kræver højere effektniveauer for at understøtte det øgede antal antenner og radioenheder, der er nødvendige for massive MIMO-konfigurationer (Multiple Input, Multiple Output) og beamforming.

Redundans er en anden afgørende faktor. Strømforsyninger skal designes med redundans for øje, ofte med backup-strømkilder som batterier eller generatorer for at sikre uafbrudt drift i tilfælde af strømafbrydelser.

Sammenlignet med tidligere generationer af trådløse netværk medfører udrulningen af 5G-mobilteknologi flere ændringer i kravene til strømforsyningen. For at 5G kan holde sit løfte om pålidelig kommunikation med høj hastighed og lav latenstid, er der nogle kriterier, der skal opfyldes.

Krav til effektforstærker

• Understøtter et bredt spektrum af frekvensbånd, herunder frekvenser under 6 GHz og mmWave (millimeterbølge), som giver unikke udfordringer for signaludbredelse.
• Kan rumme større signalbåndbredder og højere effektniveauer samt give lineær forstærkning for at forhindre forvrængning af signaler med høj datahastighed.
• Operere effektivt for at minimere strømforbrug og varmeudvikling, især for batteridrevne enheder og fjernbetjente små celler.
• Inkluder en let, kompakt formfaktor, der kan passe ind i små kabinetter, såsom små celleanlæg og brugerudstyr.
• Indarbejde avancerede materialer og teknologier såsom halvlederenheder lavet af Gallium Nitride (GaN) og Silicon Carbide (SiC) for at give øget effekttæthed, forbedret ydeevne og øgede driftsfrekvenser.

Krav til strømkonvertering

Af historiske, praktiske og tekniske årsager bruger telekommunikationssystemer typisk en -48 V_DC strømforsyning. I tilfælde af en fejl på elnettet eller andre nødsituationer kræver telekommunikationsnetværk pålidelige backup-strømkilder. Blybatterier, der ofte bruges til reservestrøm, kan også fungere ved -48 V_DC. Brug af samme spænding til både primær- og backup-strøm gør det lettere at designe og vedligeholde backup-systemer. Derudover er lavere spændinger som -48 V_DC mere sikker for personale, der arbejder med telekommunikationsudstyr, hvilket reducerer risikoen for elektrisk stød og skader.

Strømforsyninger til telekommunikationsudstyr skal opfylde specifikke driftskrav for at sikre pålidelighed og effektivitet. Her er nogle vigtige specifikationer:

• Indgangsspændingsområde: Strømforsyningen skal være designet til at tolerere et bredt indgangsspændingsområde.
• Spændingsregulering: Strømforsyningen skal levere en stabil og reguleret udgangsspænding i henhold til kravene til telekommunikationsudstyret.
• Høj effektivitet: Strømforsyninger skal være meget effektive for at reducere strømtab og energiforbrug. Effektiviteter på mindst 90 % er typiske.
• Redundans: For at sikre uafbrudt drift indeholder strømforsyninger ofte redundansfunktioner som N+1, hvor der bruges en ekstra strømforsyning. Hvis den ene fejler, kan den anden påtage sig byrden.
• Kan udskiftes i løbet af kort tid: I missionskritiske installationer skal strømforsyninger kunne udskiftes i løbet af kort tid, hvilket sikrer minimal nedetid ved udskiftning eller vedligeholdelse.
• Høj pålidelighed: Strømforsyningen skal være udstyret med beskyttelsesmekanismer for at undgå skader forårsaget af ugunstige driftsforhold, såsom overstrøm, overspænding og kortslutning.

Den aktive clamp forward-konverter

ACFC (active-clamp forward converter) er en DC/DC-konverterkonfiguration, der er almindelig i strømforsyningssystemer, og den bruges primært til at konvertere -48 V_DC til positive spændingsniveauer. ACFC er et spændingskonverteringskredsløb, der integrerer egenskaber fra forward-konverteren og active-clamp kredsløbet for at forbedre effektiviteten. Denne teknologi er udbredt i strømforsyningssystemer til telekommunikations- og datacenterapparater.

Det centrale element i ACFC er en transformer (figur 1). Transformatorens hovedvikling modtager indgangsspændingen, hvilket resulterer i induktion af en spænding i sekundærviklingen. Transformatorens udgangsspænding bestemmes af dens omsætningsforhold.

Active-clamp kredsløbet, som indeholder supplerende halvlederkontakter og en kondensator, regulerer og styrer den energi, der er indeholdt i transformatorens lækageinduktans. Når den primære kontakt er slukket, omdirigeres den energi, der er lagret i lækageinduktansen, til clamp-kondensatoren, hvilket forhindrer spændingsspidser. Denne praksis mindsker belastningen på den primære kontakt og forbedrer driftseffektiviteten. Spændingen fra transformatorens sekundærvikling ensrettes af en diode, og udgangsspændingen udglattes af en udgangsfilterkondensator. Endelig fungerer ACFC med blød omskiftning, hvilket betyder, at omskiftningsovergange er glattere og producerer mindre støj. Det resulterer i mindre elektromagnetisk interferens (EMI) og lavere koblingstab.

Figur 1: ACFC-topologien. (Kilde: Analog Devices)

ACFC-kredsløbet reducerer spændingsspidser og stress på komponenter, hvilket fører til forbedret effektivitet, især ved høje input/output-spændingsforhold. Desuden kan den håndtere en bred vifte af indgangsspændinger, hvilket gør den velegnet til telekom- og datacenterapplikationer med varierende indgangsspændinger.

Ulemperne ved active-clamp kredsløb omfatter følgende:

• Hvis det ikke begrænses til en maksimal værdi, kan en øget driftscyklus resultere i transformermætning eller yderligere spændingsbelastning på hovedkontakten, hvilket kræver en præcis dimensionering af clamp-kondensatoren.
• ACFC er en et-trins DC-til-DC-konverter. Efterhånden som effektniveauet stiger, vil fordelene ved et flerfaset design til effektintensive applikationer som f.eks. telekommunikation øges.
• Et active clamp forward-design kan ikke skaleres til højere udgangseffekt og opretholde samme ydeevne.

Overvindelse af ACFC's begrænsninger

Analog Devices' MAX15258 er en højspændings multifase boost-controller med et digitalt I²C-interface designet til telekommunikations- og industriapplikationer. Enheden har et bredt indgangsspændingsområde på 8 V til 76 V for boost-konfiguration og -8 V til -76 V for inverteret buck/boost-konfiguration. Udgangsspændingsområdet, fra 3,3 V til 60 V, dækker kravene til forskellige applikationer, herunder telekommunikationsenheder.

En typisk anvendelse af denne alsidige IC er strømforsyningen til en 5G-makrocelle eller femtocelle som vist i figur 2. Hot-swap-funktionen sikres af en hot-swap-controller med negativ spænding, såsom ADI's ADM1073, der drives af -48 V_DC. Den samme spænding forsyner MAX15258 buck/boost-konverteren, som er i stand til at levere op til 800 W udgangseffekt.

Figur 2: Blokdiagram over et strømforsyningstrin til 5G-applikationer. (Kilde: Analog Devices)

MAX15258 er designet til at understøtte op til to MOSFET-drivere og fire eksterne MOSFET'er i boost/inverting-buck-boost enkeltfase- eller dobbeltfasekonfigurationer. Den kan også kombinere to enheder til tre- eller firefaset drift. Den har en intern højspændings-FB-niveauskifter til differentieret måling af udgangsspændingen, når den er konfigureret som en inverterende-buck-boost-konverter. Udgangsspændingen kan indstilles dynamisk via en dedikeret referenceindgang eller via en digital I²C-interface.

En ekstern modstand kan bruges til at justere den interne oscillator, eller regulatoren kan synkroniseres med et eksternt ur for at opretholde en konstant koblingsfrekvens. Skiftefrekvenser fra 120 kHz til 1 MHz understøttes. Controlleren er også beskyttet mod overstrøm, udgangsoverspænding, indgangsunderspænding og termisk nedlukning.

Modstanden på OVP-benet angiver antallet af faser til controlleren. Denne identifikation bruges til at bestemme, hvordan controlleren reagerer på den primære fases flerfasede clocksignal. I en firefaset konverter er de to faser i MAX15258-controlleren eller målet sammenflettet med 180°, mens faseforskydningen mellem controlleren og målet er 90° (figur 3).

Figur 3: Firefaset konfiguration - controller- og målbølgeformer. (Kilde: Analog Devices)

I flerfaset drift overvåger MAX15258 MOSFET-strømmen på den lave side for aktiv balancering af fasestrømmen. Som feedback anvendes den aktuelle ubalance til cyklus-for-cyklus-strømsensorkredsløbet for at hjælpe med at regulere belastningsstrømmen. Det sikrer en jævn fordeling mellem de to faser. I modsætning til fremadrettede konverterdesigns behøver designere ikke at tage højde for en mulig 15 % til 20 % faseubalance under designberegningsfaserne, når de bruger denne IC.

I tre- eller firefaset drift overføres den gennemsnitlige strøm pr. chip mellem controlleren og målet via dedikerede differentialforbindelser. Strømstyringen og målenhederne regulerer deres respektive strømme, så alle faser deler belastningsstrømmen ligeligt.

Den firfasede interleaved inverterende buck-boost-strømforsyning vist i figur 4 er velegnet til applikationer, der kræver store mængder strøm. CSIO+- og CSIO--signalerne forbinder de to controllere, og SYNC-benene er forbundet for at sikre kloksynkronisering til faseinddelingsskemaet med koordinerede faser.

Figur 4: Firefaset inverterende buck-boost -48 V_IN til +48 V_OUT 800 W strømforsyning. (Kilde: Analog Devices)

MAX15258 er en lavfrekvent boost-konverter. Det reducerer omformernes primære kilde til effekttab - koblingstabet. Fordi hver konverter arbejder i sit lavtabsområde ved lav frekvens, giver det høj udgangseffekt ved en høj ækvivalent totalfrekvens. Det gør den til en oplagt enhed til konvertering af -48 V_DC.

Den arbejder med en stabil arbejdscyklus og opnår en høj udgangseffekt med ekstremt høj effektivitet. Figur 5 viser effektivitetskurverne for et koblet induktorbaseret MAX15258 800 W referencedesign for forskellige kombinationer af V_IN og V_OUT. Som følge af de reducerede ledningstab viser diagrammerne tydeligt effektivitetstal på over 98 %.

Figur 5: Virkningsgrad vs. udgangsbelastningsstrøm for et MAX15258 CL 800 W referencedesign. (Kilde: Analog Devices)

Konklusion

Strømforsyninger spiller en vigtig rolle i telekommunikationsindustrien. På grund af deres evne til at opnå høj effektivitet og minimere effekttab er active clamp forward-konvertere (ACFC'er) foretrukne i design af strømforsyninger til telekommunikation. Indbyggede begrænsninger kan dog hindre deres effektivitet under specifikke omstændigheder. For at overvinde begrænsningerne ved active clamp forward-konvertere er der opstået en ny generation af strømforsyningsteknologier, der tilbyder forbedret effektivitet, øget effekttæthed og forenklede kontrolmekanismer. I telekommunikationsindustrien baner disse nye løsninger vejen for mere avancerede og optimerede strømforsyninger.