實(shí)現(xiàn)電信電源高效率

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 北美編輯

電信行業(yè)在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著重要作用，是全球即時(shí)通信的重要基礎(chǔ)。無(wú)論是對(duì)于電話、短信還是網(wǎng)絡(luò)命令，電信設(shè)備都能確保連接可靠。電信設(shè)備的正常運(yùn)行離不開(kāi)電源的支持，但這一關(guān)鍵因素卻常常被人們忽視。

本文重點(diǎn)介紹 [Analog Devices] 的 [MAX15258]，其設(shè)計(jì)為在單相或雙相升壓/反相降壓-升壓配置中支持多達(dá)兩個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)外部 MOSFET。兩個(gè)器件可以組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)三相或四相運(yùn)行，從而提升輸出功率和效率。

滿足更高功率需求

受技術(shù)進(jìn)步、網(wǎng)絡(luò)流量激增和電信基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)建等因素的推動(dòng)，電信行業(yè)對(duì)電力的需求持續(xù)增長(zhǎng)。從第三代 (3G) 到第四代 (4G) 和第五代 (5G) 網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，催生了先進(jìn)的大功率設(shè)備。

5G 技術(shù)的部署對(duì)基站和信號(hào)塔的功率需求產(chǎn)生了重大影響?；?，尤其是城市地區(qū)的基站，需要更高的功率水平，以支持大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）配置和波束賦形所需的更多天線和無(wú)線電單元。

冗余是另一個(gè)關(guān)鍵因素。電源必須考慮冗余設(shè)計(jì)，通常包括電池或發(fā)電機(jī)等備用電源，以確保在停電時(shí)維持不間斷運(yùn)行。

與前幾代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，5G 移動(dòng)技術(shù)的部署給電源設(shè)備的要求帶來(lái)了一些變化。要讓 5G 兌現(xiàn)其可靠、高速和低延遲通信的承諾，必須滿足一些條件。

功率放大器要求

• 支持廣泛的頻段，包括 sub-6 GHz 和毫米波 (mmWave) 頻率，這對(duì)信號(hào)傳播提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。
• 適應(yīng)更寬的信號(hào)帶寬和更高的功率水平，并提供線性放大以防止高數(shù)據(jù)速率信號(hào)失真。
• 高效運(yùn)行，最大限度地降低功耗和發(fā)熱，尤其對(duì)于電池供電設(shè)備和偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型蜂窩基站。
• 重量輕且外形緊湊，可安裝在小型機(jī)柜中，如小型蜂窩基站和用戶設(shè)備中。
• 采用先進(jìn)的材料和技術(shù)，如由氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 制成的半導(dǎo)體器件，以提高功率密度、性能和工作頻率。

電源轉(zhuǎn)換要求

由于歷史、實(shí)用性和技術(shù)方面的原因，電信系統(tǒng)通常使用 -48 VDC 電源。電信網(wǎng)絡(luò)需要可靠的備用電源，以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障或其他緊急情況。鉛酸蓄電池是常用的備用電源，也可工作于 -48 V DC 。主電源和備用電源使用相同的電壓，使得設(shè)計(jì)和維護(hù)備用系統(tǒng)更容易。此外，較低的電壓（如 -48 V DC ）對(duì)從事電信設(shè)備工作的人員更安全，可降低觸電和受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

電信設(shè)備的電源必須滿足特定的運(yùn)行要求，以確?？煽啃院托?。以下是一些重要規(guī)格：

• 輸入電壓范圍：電源應(yīng)能承受較寬的輸入電壓范圍。
• 電壓調(diào)節(jié)：電源必須根據(jù)電信設(shè)備的要求提供穩(wěn)定的調(diào)節(jié)輸出電壓。
• 高效率：電源必須具備高效率，以減少功率損耗和能耗。通常要求至少 90% 的效率水平。
• 冗余：為確保不間斷運(yùn)行，電源通常具備冗余功能，如 N+1，即使用額外的電源。如果一個(gè)電源發(fā)生故障，另一個(gè)電源可以立即接管并承擔(dān)供電任務(wù)。
• 可熱插拔：在任務(wù)關(guān)鍵型設(shè)施中，電源應(yīng)支持熱插拔，確保在更換或維護(hù)期間盡量減少停機(jī)時(shí)間。
• 高可靠性：電源應(yīng)配備保護(hù)機(jī)制，以避免在過(guò)流、過(guò)壓和短路等不利工作條件下造成損壞。

有源箝位正激轉(zhuǎn)換器

有源箝位正激轉(zhuǎn)換器 (ACFC) 是電源系統(tǒng)中常見(jiàn)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置，主要用于將 -48 VDC 轉(zhuǎn)換為正電壓。ACFC 是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，集成了正激轉(zhuǎn)換器和有源箝位電路的特性以提高效率。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電信和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的電源系統(tǒng)中。

ACFC 的核心元件是變壓器（圖 1）。變壓器的主繞組接收輸入電壓，從而在次級(jí)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。變壓器的輸出電壓由其匝數(shù)比決定。

有源箝位電路包含輔助半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和電容器，用于調(diào)節(jié)和控制變壓器漏感內(nèi)包含的能量。當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，漏感中儲(chǔ)存的能量會(huì)被重定向到箝位電容器，從而防止出現(xiàn)電壓尖峰。這種做法可減輕初級(jí)開(kāi)關(guān)的壓力，提高運(yùn)行效率。變壓器次級(jí)繞組的電壓由二極管整流，輸出電壓由輸出濾波電容器來(lái)平滑。最后，ACFC 采用軟切換，因此開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換更平滑，產(chǎn)生的噪聲更小。這就減少了電磁干擾 (EMI)，降低了開(kāi)關(guān)損耗。

圖 1：ACFC 拓?fù)?。（?lái)源：Analog Devices）

ACFC 電路可減少電壓尖峰和元器件承受的壓力，從而提高效率，尤其是在高輸入輸出電壓比的情況下。此外，它還能處理寬輸入電壓范圍，因此適合輸入電壓不穩(wěn)定的電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

有源箝位電路具有如下缺點(diǎn)：

• 如果不為占空比限定一個(gè)最大值，占空比的增加可能會(huì)使變壓器飽和，或者給主開(kāi)關(guān)帶來(lái)更大的電壓應(yīng)力，因此必須準(zhǔn)確選用大小合適的箝位電容器。
• ACFC 是一種單級(jí) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。隨著功率水平提高，電信等高能耗應(yīng)用采用多相設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。
• 有源箝位正激設(shè)計(jì)無(wú)法擴(kuò)展到更高輸出功率并保持相似的性能。

克服 ACFC 局限性

Analog Devices 的 MAX15258 是一款帶 I^2^C 數(shù)字接口的高壓多相升壓控制器，專(zhuān)為電信和工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件的輸入電壓范圍非常寬，升壓配置下為 8 V 至 76 V，反相降壓/升壓配置下為 -8 V 至 -76 V。輸出電壓范圍從 3.3 V 到 60 V，可滿足包括電信設(shè)備在內(nèi)的各種應(yīng)用的要求。

這款多功能 IC 的典型應(yīng)用是圖 2 所示 5G 宏蜂窩或家庭基站的電源。熱插拔特性由負(fù)電壓熱插拔控制器（如 ADI 的 [ADM1073]）來(lái)保證，該控制器由 -48 VDC 供電。同樣的電壓還為 MAX15258 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器供電，此轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá) 800 W 的輸出功率。

[]圖 2：5G 應(yīng)用的電源級(jí)框圖。（來(lái)源：Analog Devices）

MAX15258 設(shè)計(jì)為在升壓/反相降壓-升壓?jiǎn)蜗嗷螂p相配置中支持多達(dá)兩個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)外部 MOSFET。其還可以將兩個(gè)器件組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)三相或四相運(yùn)行。當(dāng)配置為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，其內(nèi)部高壓 FB 電平轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)差分方式檢測(cè)輸出電壓。借助專(zhuān)用基準(zhǔn)輸入引腳或 I^2^C 數(shù)字接口，可以動(dòng)態(tài)設(shè)置輸出電壓。

可以使用外部電阻器來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部振蕩器，也可以將穩(wěn)壓器與外部時(shí)鐘同步，以保持恒定的開(kāi)關(guān)頻率。支持 120 kHz 至 1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率。該控制器還具有過(guò)流、輸出過(guò)壓、輸入欠壓和熱關(guān)斷保護(hù)功能。

OVP 引腳上的電阻器用來(lái)指定控制器相位數(shù)。此信息用于確定控制器如何響應(yīng)主相位的多相時(shí)鐘信號(hào)。在四相轉(zhuǎn)換器中，MAX15258 控制器或目標(biāo)的兩個(gè)相位交錯(cuò) 180°，而控制器與目標(biāo)之間的相移為 90°（圖 3）。

[]圖 3：四相配置 - 控制器和目標(biāo)波形。（來(lái)源：Analog Devices）

在多相操作中，MAX15258 監(jiān)控低壓側(cè) MOSFET 電流以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)相電流平衡。作為反饋，電流不平衡被應(yīng)用于逐周期電流檢測(cè)電路，以幫助調(diào)節(jié)負(fù)載電流。這樣做可以確保兩相之間的電流公平分配。與正激轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不同，使用該 IC 時(shí)，設(shè)計(jì)人員無(wú)需在設(shè)計(jì)計(jì)算階段考慮可能存在的 15% 至 20% 的相位不平衡。

在三相或四相操作中，平均每芯片電流通過(guò)專(zhuān)用差分連接在控制器和目標(biāo)之間傳輸。電流模式控制器和目標(biāo)器件調(diào)節(jié)各自的電流，使所有相位均等地分擔(dān)負(fù)載電流。

圖 4 所示的四相交錯(cuò)反相降壓-升壓電源適合需要大功率的應(yīng)用。CSIO+ 和 CSIO- 信號(hào)連接兩個(gè)控制器，并且 SYNC 引腳也相連以保證時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)相位協(xié)調(diào)的相位交錯(cuò)方案。

[]圖 4：四相反相降壓-升壓 -48 VIN 至 +48 VOUT 800 W 電源。（來(lái)源：Analog Devices）

MAX15258 是一款低頻升壓轉(zhuǎn)換器，因此能夠減少開(kāi)關(guān)損耗——這是轉(zhuǎn)換器功率損耗的主要來(lái)源。每個(gè)轉(zhuǎn)換器都在低損耗區(qū)域內(nèi)以低頻工作，結(jié)果是以總計(jì)等效的高頻率提供高輸出功率。因此，它是轉(zhuǎn)換 -48 VDC 的理想器件。

該器件以穩(wěn)定的占空比運(yùn)行，能夠以非常高的效率提供高輸出功率。圖 5 顯示了基于耦合電感器的 MAX15258 800 W 參考設(shè)計(jì)在不同 VIN 和 VOUT 組合下的效率曲線。由于減少了傳導(dǎo)損耗，圖中清楚地顯示效率超過(guò) 98%。

[]圖 5：MAX15258 CL 800 W 參考設(shè)計(jì)的效率與輸出負(fù)載電流的關(guān)系。（來(lái)源：Analog Devices）

總結(jié)

電源在電信行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。有源箝位正激轉(zhuǎn)換器 (ACFC) 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率并大幅降低功率損耗，因此在電信電源設(shè)計(jì)中備受青睞。然而，其固有的局限性可能會(huì)妨礙它們?cè)谔囟ㄇ闆r下的效能。為了克服有源箝位正激轉(zhuǎn)換器的局限性，新一代電源技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它們提供更高的效率、更大的功率密度和簡(jiǎn)化的控制機(jī)制。在電信行業(yè)，這些新穎的解決方案為實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)、更優(yōu)化的電源鋪平了道路。