Oppnå høy virkningsgrad i strømforsyninger for telekommunikasjon

Telekommunikasjonssektoren har blitt et viktig element i det moderne samfunnet og øyeblikkelig global kommunikasjon. Enten det gjelder telefonsamtaler, tekstmeldinger eller nettkommandoer, sørger telekommunikasjonsutstyr for pålitelige tilkoblinger. Strømforsyningen som opererer bak kulissene er en viktig komponent som sjelden er anerkjent.

Denne artikkelen fokuserer på MAX15258 fra Analog Devices, som er utformet for å romme opptil to MOSFET-drivere og fire eksterne MOSFET-er i enfaset eller tofaset boost/inverter-buck-boost-konfigurasjoner. Det er mulig å kombinere to enheter for trefaset eller firefaset drift, og oppnå høyere nivåer for effekt og virkningsgrad.

Dekke behovet for økt strømbehov

Strømbehovet i telekommunikasjonsbransjen har vokst over tid, drevet av teknologiutvikling, økt nettverkstrafikk og utvidelse av telekommunikasjonsinfrastruktur. Overgangen fra tredje generasjon (3G) til fjerde generasjon (4G) og femte generasjon (5G) nettverk har ført til avansert og kraftig utstyr.

Utrullingen av 5G-teknologi har hatt en betydelig innvirkning på strømkravene til basestasjoner og mobiltelefontårn. Basestasjoner, spesielt de i urbane områder, krever høyere effektnivåer for å støtte det økte antallet antenner og radioenheter som trengs for massive MIMO-konfigurasjoner (Multiple Input, Multiple Output) og stråleforming.

Redundans er en annen avgjørende faktor. Strømforsyninger må utformes med redundans i tankene, ofte inkludert reservestrømkilder som batterier eller generatorer for å sikre uavbrutt drift i tilfelle strømbrudd.

Sammenlignet med tidligere generasjoner av trådløse nettverk, introduserer implementeringen av 5G-mobilteknologi flere endringer i strømforsyningskravene. For at 5G skal holde sitt løfte om pålitelig kommunikasjon med høy hastighet og lav latenstid (forsinkelse), må noen kriterier oppfylles.

Krav til effektforsterker

• Støtter et bredt spekter av frekvensbånd, inkludert frekvenser under 6 GHz og mmWave (millimeterbølge), som gir unike utfordringer for signalforplantning.
• Plasser bredere signalbåndbredder og høyere effektnivåer, i tillegg til å gi lineær forsterkning for å forhindre forvrengning av signaler med høy datahastighet.
• Operer effektivt for å minimere strømforbruk og varmeproduksjon, spesielt for batteridrevne enheter og eksterne små mobilstasjoner.
• Inkluder en lett, kompakt formfaktor som kan passe inn i små kabinetter, for eksempel små mobilstasjoner og brukerutstyr.
• Innlemme avanserte materialer og teknologier som halvlederenheter laget av galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC) for å gi økt strømtetthet, forbedret ytelse og økte driftsfrekvenser.

Krav til strømomforming

Av historiske, praktiske og tekniske årsaker bruker telekommunikasjonssystemer vanligvis en -48 V_{likestrømforsyning} (DC). I tilfelle en nettfeil eller annen nødsituasjon krever telekommunikasjonsnettverk pålitelige backup-strømkilder. Vanligvis brukt for reservestrøm, kan bly-syre-batterier også fungere ved -48 V_likespenning (DC). Hvis du bruker samme spenning for både primær- og sikkerhetskopieringsstrøm, er det enklere å utforme og vedlikeholde sikkerhetskopieringssystemer. I tillegg er lavere spenninger som -48 V_likespenning (DC) tryggere for personell som arbeider med telekomutstyr, noe som reduserer risikoen for elektrisk støt og skade.

Strømforsyninger for telekommunikasjonsutstyr må oppfylle spesifikke driftskrav for å sikre pålitelighet og virkningsgrad. Her er noen viktige spesifikasjoner:

• Inngangsspenningsområde: Strømforsyningen skal være utformet for å tåle et bredt inngangsspenningsområde.
• Spenningsregulering: Strømforsyningen må gi en stabil og regulert utgangsspenning i henhold til kravene til telekomutstyret.
• Høy virkningsgrad: Strømforsyninger bør være svært høyvirksomme for å redusere strømtap og energiforbruk. Virkningsgrad på minst 90 % er typisk.
• Redundans: For å sikre uavbrutt drift inkluderer strømforsyninger ofte redundansfunksjoner som N+1 der en ekstra strømforsyning brukes. Hvis den ene svikter, kan den andre påta seg byrden.
• Kan byttes under drift (hot-swappable): I driftskritiske installasjoner bør strømforsyninger kunne byttes under drift, noe som sikrer minimal nedetid under utskifting eller vedlikehold.
• Høy pålitelighet: Strømforsyningen skal være utstyrt med beskyttelsesmekanismer for å avverge skade forårsaket av ugunstige driftsforhold, for eksempel overstrøm, overspenning og kortslutninger.

ACFC-omformer (active-clamp forward converter)

ACFC (active-clamp forward converter) er en DC-DC-omformerkonfigurasjon som er vanlig i strømforsyningssystemer, og den brukes primært til å konvertere -48 V_DC til positive spenningsnivåer. ACFC er en spenningskonverteringskrets som integrerer egenskaper fra foroveromformeren og aktiv begrensing for å øke virkningsgraden. Denne teknologien er utbredt i strømforsyningssystemer for telekommunikasjons- og datasenterapparater.

Det sentrale elementet i ACFC-en er en transformator (figur 1). Hovedviklingen til transformatoren mottar inngangsspenningen, noe som resulterer i induksjon av en spenning i sekundærviklingen. Transformatorens utgangsspenning bestemmes av dens viklingsforhold.

Den aktive begrensningskretsen, som innlemmer supplerende halvlederbrytere og en kondensator, regulerer og styrer energien inneholdt inne i lekkasjeinduktansen til transformatoren. Når primærbryteren er av, omdirigeres energien som er lagret i lekkasjeinduktansen til klemkondensatoren, og forhindrer dermed spenningstopper. Denne praksisen reduserer belastningen på primærbryteren og forbedrer driftseffektiviteten. Spenningen fra transformatorens sekundærvikling korrigeres av en diode, og utgangsspenningen glattes av en filterkondensator på utgangen. Til slutt fungerer ACFC med myk veksling, noe som betyr at svitsjeoverganger er jevnere og produserer mindre støy. Dette resulterer i redusert elektromagnetisk interferens (EMI) og lavere vekslingstap.

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

ACFC-kretsen reduserer spenningstopper og stress på komponenter, noe som fører til forbedret virkningsgrad, spesielt ved høye spenningsforhold mellom inngang og utgang. Dessuten kan den håndtere et bredt spekter av inngangsspenninger, noe som gjør den egnet for telekom- og datasenterutrustninger med varierende inngangsspenninger.

Ulemper med ACFC innbefatter følgende:

• Hvis ikke begrenset til en maksimumsverdi, kan en økt driftssyklus resultere i transformatormetning eller ekstra spenningsspenning på hovedbryteren, noe som nødvendiggjør den nøyaktige dimensjoneringen av begrensningskondensatoren.
• ACFC er en ett-trinns DC-til-DC-omformer. Etter hvert som effektnivået stiger, vil fordelene med en flerfaset design for strømkrevende utrustninger som telekom øke.
• En aktiv begrensingskonstruksjon kan ikke skaleres til høyere effekt og opprettholde tilsvarende ytelse.

Komme forbi begrensningene med ACFC

MAX15258 fra Analog Devices er en høyspent flerfase boost-regulator (øker spenningen) med et I²C digitalt grensesnitt designet for telekom og industrielle utrustninger. Enheten har et bredt inngangsspenningsområde fra 8 V til 76 V for boost-konfigurasjon og -8 V til -76 V for invertering av buck/boost-konfigurasjon. Utgangsspenningsområdet, fra 3,3 V til 60 V, dekker kravene til ulike utrustninger, inkludert telekommunikasjonsenheter.

En typisk anvendelse av denne allsidige IC-en er strømforsyningen for en 5G-makrocelle eller femtocelle som er vist i figur 2. Hot-swap-funksjonen (utplugging under drift) sikres av en negativ spenning hot-swap-regulator, for eksempel ADIs ADM1073, drevet av -48 V_likespenning (DC). Den samme spenningen forsyner MAX15258 buck/boost-omformeren, som er i stand til å gi opptil 800 W utgangseffekt.

Figur 2: Blokkskjema over et strømforsyningstrinn for 5G-utrustninger. (Kilde: Analog Devices)

MAX15258 er designet for å støtte opptil to MOSFET-drivere og fire eksterne MOSFET-er i boost/inverter-buck-boost enfase- eller tofasekonfigurasjoner. Den kombinerer også to enheter for trefaset eller firefaset drift. Den har en intern høyspennings FB-nivåskifter for differensiell avføling av utgangsspenningen når den er konfigurert som en inverterende buck-boost-omformer. Gjennom en dedikert referanseinngangspinne eller via et I²C-digitalt grensesnitt, kan utgangsspenningen stilles inn dynamisk.

En ekstern motstand kan brukes til å justere den interne oscillatoren, eller regulatoren kan synkroniseres med en ekstern klokke for å opprettholde en konstant vekslingsfrekvens. Vekslingsfrekvenser fra 120 kHz til 1 MHz støttes. Kontrolleren er også beskyttet mot overstrøm, utgangsoverspenning, inngangs underspenning og termisk avstengning.

Motstanden på OVP-pinnen angir antall faser til regulatoren. Denne identifikasjonen brukes til å bestemme hvordan regulatoren reagerer på primærfasens flerfase-klokkesignal. I en firefaseomformer er de to fasene til MAX15258-regulatoren eller målet innfelt 180°, mens faseforskyvningen mellom kontrolleren og målet er 90° (figur 3).

Figur 3: Firefaset konfigurasjon - regulator- og målbølgeformer. (Kilde: Analog Devices)

I flerfaseoperasjoner overvåker MAX15258 den lave MOSFET-strømmen for aktiv fasestrømbalansering. Som tilbakemelding påføres strømubalansen på syklus-for-syklus strømfølerkretsen for å hjelpe til med å regulere belastningsstrømmen. Dette sikrer en rettferdig fordeling mellom de to fasene. I motsetning til design av foroveromformere, trenger ikke designere å ta hensyn til en mulig 15–20 % faseubalanse under designberegningstrinnene ved bruk av denne IC-en.

Ved trefaset eller firefaset drift overføres den gjennomsnittlige strømmen per brikke mellom regulatoren og målet via dedikerte differensialkoblinger. Strømmodusregulatoren og målenhetene regulerer sine respektive strømmer slik at alle faser deler laststrømmen likt.

Den firefasede innfelte inverterende buck-boost-strømforsyningen (senke /øke spenningen) vist i figur 4 er egnet for utrustninger som krever store mengder strøm. CSIO + - og CSIO- -signalene kobler de to regulatorene, og synkroniseringspinnene kobles for å sikre klokkesynkronisering for faseinnfellingsskjemaet med koordinerte faser.

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

MAX15258 er en lavfrekvent boost-omformer. Dette reduserer omformernes primære kilde til strømtap – vekslingstap. Fordi hver omformer opererer i sitt lave tapsområde ved lav frekvens, gir dette høy utgangseffekt ved en høy ekvivalent totalfrekvens. Dette gjør den til den foretrukne enheten for konvertering av -48 V_likespenning (DC).

Ved drift med en stabil driftssyklus oppnår den en høy utgangseffekt med ekstremt høy virkningsgrad. Figur 5 viser effektivitetskurvene til en koblet induktorbasert referansedesign MAX15258 på 800 W for forskjellige kombinasjoner av V_IN and V_OUT. Som et resultat av reduserte ledningstap, viser plottene tydelige tall for virkningsgrad på mer enn 98 %.

Figur 5: Virkningsgrad vs. utgangslaststrøm for en MAX15258 CL 800 W-referansedesign. (Kilde: Analog Devices)

Konklusjon

Strømforsyninger spiller en viktig rolle innen telekommunikasjonsbransjen. På grunn av deres evne til å oppnå høy virkningsgrad og minimere strømtap, foretrekkes ACFC-er (Active Clamp Forward Converter) i strømforsyningsdesign for telekommunikasjon. Imidlertid kan iboende begrensninger hindre deres effekt under spesifikke omstendigheter. For å overvinne begrensningene til ACFC-omformere, har en ny generasjon av strømforsyningsteknologier dukket opp, som tilbyr økt virkningsgrad, økt strømtetthet og forenklede styringsmekanismer. I telekombransjen baner disse nye løsningene vei for mer avanserte og optimaliserte strømforsyninger.