Dosažení vysoké účinnosti v oblasti telekomunikačních napájecích zdrojů

Telekomunikační sektor se stal důležitým prvkem moderní společnosti a rychlé globální komunikace. Ať již jde o telefonní hovor, textovou zprávu nebo webový příkaz, telekomunikační zařízení zajišťuje spolehlivé spojení. Napájecí zdroj pracující na pozadí je základní součástí, která je málokdy uznávána.

Tento článek se zaměřuje na obvod MAX15258 od společnosti Analog Devices, který je navržen tak, aby podporoval až dva řadiče s tranzistory MOSFET a čtyři externí tranzistory MOSFET v jednofázové nebo dvoufázové zvyšující/invertující-snižující-zvyšující konfiguraci. Je možné kombinovat dva obvody pro třífázový nebo čtyřfázový provoz a dosáhnout tak vyššího výstupního výkonu a účinnosti.

Uspokojení poptávky po vyšší spotřebě energie

Poptávka po energii v telekomunikačním průmyslu postupem času rostla, což je způsobeno rozvojem technologií, zvýšeným síťovým provozem a expanzí telekomunikační infrastruktury. Přechod ze sítí třetí generace (3G) na sítě čtvrté generace (4G) a páté generace (5G) vedl k vyspělým a vysoce výkonným zařízením.

Nasazení technologie 5G mělo významný dopad na požadavky na napájení základnových stanic a mobilních věží. Základnové stanice, zejména v městských oblastech, vyžadují vyšší úrovně výkonu, aby mohly podporovat zvýšený počet antén a rádiových jednotek potřebných pro masivní konfigurace typu MIMO (Multiple Input, Multiple Output) a řízení paprsků.

Dalším zásadním faktorem je redundance. Napájecí zdroje musejí být navrženy s ohledem na redundanci, často včetně záložních zdrojů energie, jako jsou baterie nebo generátory, aby byl zajištěn nepřerušovaný provoz v případě výpadků dodávky energie.

Ve srovnání s předchozími generacemi bezdrátových sítí přináší nasazení mobilních technologií 5G několik změn v požadavcích na napájecí zařízení. Aby sítě 5G mohly naplnit své poslání spolehlivých, vysokorychlostních komunikací a komunikací s nízkou latencí, musí být splněna některá kritéria.

Požadavky na výkonový zesilovač

• Podpora širokého spektra frekvenčních pásem, včetně frekvencí nižších než 6 GHz a mmWave (milimetrových vln), které představují jedinečné výzvy pro šíření signálu.
• Přizpůsobení se větším šířkám pásma signálu a vyšším úrovním výkonu, stejně jako poskytování lineárního zesílení z důvodů zamezení zkreslení signálů s vysokou přenosovou rychlostí.
• Účinný provoz z důvodů minimalizace spotřeby energie a tvorby tepla, zejména u zařízení napájených z baterií a vzdálených malých článků.
• Zahrnutí lehkého a kompaktního tvaru, který se vejde do malých skříní, například u malých mobilních vysílačů a uživatelského vybavení.
• Zahrnutí pokročilých materiálů a technologií, jako jsou polovodičové součástky z nitridu galia (GaN) a karbidu křemíku (SiC), aby bylo dosaženo zvýšené výkonové hustoty, vyššího výkonu a vyšší provozní frekvence.

Požadavky na přeměnu energie

Z historických, praktických a technických důvodů používají telekomunikační systémy obvykle napájecí napětí -48 V_DC. V případě poruchy sítě nebo jiné nouzové situace vyžadují telekomunikační sítě spolehlivé záložní zdroje energie. Olověné baterie, běžně používané jako záložní zdroje, mohou také pracovat při -48 V_DC. Použití stejného napětí pro primární i záložní napájení usnadňuje návrh a údržbu záložních systémů. Navíc nižší napětí, například -48 V_DC jsou bezpečnější pro personál pracující s telekomunikačním zařízením a snižují riziko úrazu elektrickým proudem a dalších zranění.

Napájecí zdroje pro telekomunikační zařízení musejí splňovat specifické provozní požadavky, aby byla zajištěna spolehlivost a účinnost. Zde jsou některé důležité specifikace:

• Rozsah vstupního napětí: napájecí zdroj by měl být navržen tak, aby toleroval široký rozsah vstupního napětí.
• Regulace napětí: napájecí zdroj musí poskytovat stabilní a regulované výstupní napětí podle požadavků telekomunikačního zařízení.
• Vysoká účinnost: napájecí zdroje by měly být vysoce účinné, aby se snížily energetické ztráty a spotřeba energie. Typická je účinnost nejméně 90 %.
• Redundance: aby byl zajištěn nepřetržitý provoz, napájecí zdroje často zahrnují funkce redundance, jako je N+1, kde se používá přídavný napájecí zdroj. V případě výpadku jednoho zdroje může zátěž převzít druhý zdroj.
• Hot-swap: V kriticky důležitých instalacích by měly být napájecí zdroje vyměnitelné za provozu, což zajišťuje minimální prostoje při výměně nebo údržbě.
• Vysoká spolehlivost: napájecí zdroj by měl být vybaven ochrannými mechanismy na zamezení poškození vlivem nepříznivých provozních podmínek, jako jsou nadproud, přepětí a zkraty.

Aktivní upínací předávací převodník

Aktivní upínací předávací převodník (ACFC) představuje konfiguraci DC/DC převodníku obvyklou v napájecích systémech a primárně se používá pro převod napětí -48 V_DC na kladné hodnoty. ACFC je obvod pro konverzi napětí, který integruje charakteristiky z předávacího převodníku a aktivního upínacího obvodu pro zvýšení účinnosti. Tato technologie převládá v napájecích systémech pro telekomunikace a zařízení datových center.

Ústředním prvkem obvodu ACFC je transformátor (obrázek 1). Do hlavního vinutí transformátoru vstupuje primární napětí, což vyvolává indukci napětí v sekundárním vinutí. Výstupní napětí transformátoru je určeno jeho převodovým poměrem.

Aktivní upínací obvod, který obsahuje doplňkové polovodičové spínače a kondenzátor, reguluje a řídí energii obsaženou nesenou rozptylovou indukčností transformátoru. Je-li primární spínač vypnutý, energie uložená v rozptylové indukčnosti je přesměrována na upínací kondenzátor, čímž se zabrání napěťovým špičkám. Tento postup snižuje zatížení primárního spínače a zvyšuje provozní účinnost. Napětí ze sekundárního vinutí transformátoru je usměrněno diodou a výstupní napětí je vyhlazeno filtračním kondenzátorem. A konečně převodník ACFC pracuje s měkkým spínáním, což znamená, že spínací přechody jsou hladší a generují nižší míru šumu. To má za následek snížení elektromagnetického rušení (EMI) a nižší spínací ztráty.

Obrázek 1: topologie převodníku ACFC. (Zdroj: Analog Devices)

Převodník ACFC snižuje napěťové špičky a namáhání součástí, což vede ke zlepšení účinnosti, zejména při vysokých poměrech vstupního a výstupního napětí. Navíc dokáže zpracovat široký rozsah vstupních napětí, čímž se stává vhodným pro aplikace telekomunikací a datových center s různými vstupními napětími.

Aktivní upínací obvod má však také následující nevýhody:

• Pokud není omezen na maximální hodnotu, může zvýšený pracovní cyklus vést k saturaci transformátoru nebo k dodatečnému napěťovému namáhání hlavního spínače, což vyžaduje přesné dimenzování upínacího kondenzátoru.
• Převodník ACFC je jednostupňový DC-DC měnič. S rostoucí úrovní výkonu budou narůstat také výhody vícefázové konstrukce pro energeticky náročné aplikace, jako jsou telekomunikace.
• Aktivní upínací předávací konstrukci nelze škálovat na vyšší výstupní výkon se současným zachováním podobné výkonnosti.

Překonávání limitů převodníků ACFC

Obvod MAX15258 od společnosti Analog Devices je vysokonapěťový, vícefázový zvyšovací převodník s digitálním rozhraním I²C určený pro telekomunikační a průmyslové aplikace. Obvod se vyznačuje širokým rozsahem vstupních napětí 8 V až 76 V pro zvyšovací konfiguraci a -8 V až -76 V pro invertující snižovací/zvyšovací konfiguraci. Rozsah výstupního napětí 3,3 V až 60 V pokrývá požadavky různých aplikací, včetně telekomunikačních zařízení.

Typickou aplikací tohoto všestranného integrovaného obvodu je napájecí zdroj pro 5G makrobuňku nebo femtobuňku zobrazenou na obrázku 2. Funkci hot-swap je zajišťuje řídicí jednotka Hot Swap se záporným napětím, například obvod ADM1073 od společnosti ADI s napájecím napětím -48 V_DC. Stejné napětí napájí také snižovací/zvyšovací převodník MAX15258, který je schopný dodávat výstupní výkon až 800 W.

Obrázek 2: blokové schéma napájecího stupně pro 5G aplikace. (Zdroj: Analog Devices)

Obvod MAX15258 je navržen tak, aby podporoval až dva řadiče s tranzistory MOSFET a čtyři externí tranzistory MOSFET v jednofázové nebo dvoufázové zvyšovací/invertující-snižovací-zvyšovací konfiguraci. Obvod kombinuje také dvě součásti pro třífázový nebo čtyřfázový provoz. Obvod je vybaven vnitřním vysokonapěťovým posouvačem úrovní FB pro diferenciální snímání výstupního napětí, je-li nakonfigurován jako invertující snižovací-zvyšovací převodník. Výstupní napětí lze nastavit dynamicky prostřednictvím vyhrazeného referenčního vstupního pinu nebo přes digitální rozhraní I²C.

Pro nastavení vnitřního oscilátoru lze použít externí rezistor nebo lze regulátor synchronizovat s externími hodinami pro udržení konstantní spínací frekvence. Podporovány jsou spínací frekvence 120 kHz až 1 MHz. Regulátor je také chráněn proti nadproudu, výstupnímu přepětí, vstupnímu podpětí a je opatřen tepelnou ochranou.

Rezistor na pinu OVP určuje počet fází regulátoru. Tato identifikace se používá k stanovení způsobu, jakým regulátor reaguje na vícefázový taktovací signál primární fáze. U čtyřfázového převodníku jsou dvě fáze obvodu MAX15258 nebo cílového průběhu proloženy o 180°, přičemž fázový posun mezi ovladačem a cílovým průběhem je 90° (obrázek 3).

Obrázek 3: čtyřfázová konfigurace - řídicí jednotka a cílové průběhy. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ve vícefázových provozech obvod MAX15258 sleduje low-side proud tranzistoru MOSFET, aby bylo dosaženo aktivního vyvážení fázového proudu. Proudová nesymetrie je jako zpětná vazba aplikována na obvody snímání proudu po cyklech, čímž pomáhá regulovat proud zátěže. Tím je zajištěno spravedlivé rozdělení mezi dvě fáze. Na rozdíl od návrhů předávacích převodníků nemusí konstruktéři při použití tohoto IO ve fázích výpočtů návrhu počítat s možnou 15% až 20% fázovou nesymetrií.

V třífázovém nebo čtyřfázovém provozu je průměrný proud na čip přenášen mezi řídicí jednotkou a cílem prostřednictvím vyhrazených diferenciálních spojení. Regulátor proudového režimu a cílová zařízení regulují své příslušné proudy tak, aby proud zátěže rovnoměrně sdílely všechny fáze.

Čtyřfázový prokládaný invertující snižovací-zvyšovací napájecí zdroj znázorněný na obrázku 4 je vhodný pro aplikace vyžadující velké objemy energie. Signály CSIO+ a CSIO– propojují dva řadiče, přičemž piny SYNC jsou připojeny k zajištění synchronizace taktovacího signálu s koordinovanými fázemi ve schématu fázového prokládání.

Obrázek 4: čtyřfázový invertující snižovací-zvyšovací napájecí zdroj -48 V_IN až +48 V_OUT 800 W. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Obvod MAX15258 je nízkofrekvenční zvyšovací převodník. Tím se snižuje primární zdroj výkonových ztrát převodníků - spínací ztráty. Jelikož každý měnič pracuje ve své nízkoztrátové oblasti na nízké frekvenci, nabízí toto řešení vysoký výstupní výkon při vysoké celkové ekvivalentní frekvenci. Tím se stává vyhledávaným obvodem pro převod napětí -48 V_DC.

Obvod pracuje se stabilním pracovním cyklem a dosahuje vysokého výstupního výkonu s extrémně vysokou účinností. Obrázek 5 znázorňuje křivky účinnosti referenčního návrhu MAX15258 800 W založeného na spřaženém induktoru pro různé kombinace napětí V_IN a V_OUT. V důsledku snížených ztrát vedením grafy jasně zobrazují hodnoty účinnosti vyšší než 98 %.

Obrázek 5: Účinnost v závislosti na výstupním proudu zátěže u referenčního návrhu MAX15258 CL 800 W. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Napájecí zdroje hrají v telekomunikačním průmyslu důležitou roli. Díky schopnosti dosahovat vysoké účinnosti a minimalizovat energetické ztráty jsou v návrzích telekomunikačních napájecích zdrojů upřednostňovány aktivní upínací předávací převodníky (ACFC). Přirozená omezení však mohou za určitých okolností bránit jejich účinnosti. K překonání omezení aktivních upínacích předávacích převodníků se objevila nová generace technologií napájecích zdrojů nabízejících zvýšenou účinnost, zvýšenou výkonovou hustotu a zjednodušené ovládací mechanismy. V telekomunikačním průmyslu tato nová řešení otevírají cestu pokročilejším a optimalizovaným napájecím zdrojům.