Åstadkomma hög verkningsgrad i nätaggregat för telekommunikation

Telekommunikationssektorn har blivit en viktig del av det moderna samhället och den globala direktkommunikationen. Oavsett om det gäller ett telefonsamtal, ett textmeddelande eller ett webbkommando garanterar telekomutrustningen tillförlitliga anslutningar. Nätaggregatet som arbetar bakom kulisserna är en viktig komponent som sällan uppmärksammas.

Artikeln fokuserar på Analog Devices MAX15258, som är konstruerad för att hantera upp till två MOSFET-drivkretsar och fyra externa MOSFET:ar i konfigurationer för en- eller tvåfas boost/inverterande buck-boost Det är möjligt att kombinera två enheter för tre- eller fyrfasdrift, vilket ger högre uteffekt och bättre verkningsgrad.

Tillgodose det ökade effektbehovet

Effektbehovet inom telekommunikationsindustrin har ökat med tiden, drivet av teknikutveckling, ökad nätverkstrafik och utbyggnad av infrastruktur för telekommunikation. Övergången från tredje generationens (3G) till fjärde generationens (4G) och femte generationens (5G) mobilnätverk har lett till avancerad utrustning med hög effekt.

Utbyggnaden av 5G-tekniken har haft en betydande inverkan på basstationernas och mobilmasternas effektbehov. Basstationer, särskilt i stadsområden, kräver högre effektnivåer för att stödja det ökade antalet antenner och radioenheter som behövs för massiva MIMO-konfigurationer (Multiple Input, Multiple Output) och strålformning.

Redundans är en annan viktig faktor. Nätaggregat måste utformas med redundans i åtanke och inkluderar ofta reservkraftkällor som batterier eller generatorer för att garantera oavbruten drift vid strömavbrott.

Jämfört med tidigare generationer av trådlösa nätverk innebär utbyggnaden av 5G-mobilteknik flera förändringar i kraven på strömförsörjningsenheter. För att 5G ska kunna uppfylla sitt löfte om tillförlitlig kommunikation med hög hastighet och låg latens måste vissa kriterier uppfyllas.

Effektförstärkarkrav

• Stöd för en stor mängd frekvensband, inklusive frekvenser under 6 GHz och mmWave (millimetervåg), vilket innebär unika utmaningar för signalutbredning.
• Hantering av större signalbandbredd och högre effektnivåer, samt tillhandahålla linjär förstärkning för att förhindra distorsion av signaler med hög datahastighet.
• Effektiv drift för att minimera strömförbrukning och värmeutveckling, särskilt i batteridrivna enheter och små fjärrstyrda celler.
• Ha ett lätt, kompakt format som får plats i små kapslingar, som t.ex. små mobilbasstationer och användarutrustning.
• Använda avancerade material och tekniker såsom halvledarenheter tillverkade av galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) för att ge ökad effekttäthet, förbättrad prestanda och ökat antal driftfrekvenser.

Strömomvandlingskrav

Av historiska, praktiska och tekniska skäl använder telekomsystem vanligtvis nätaggregat på -48 V_DC. I händelse av strömavbrott eller andra nödsituationer behöver telekommunikationsnäten tillförlitliga reservkraftkällor. Blybatterier, som ofta används för reservkraft, kan även användas vid -48 V_DC. Att använda samma spänning för både huvud- och reservkraft gör det enklare att konstruera och underhålla reservkraftssystem. Lägre spänningar som -48 V_DC är dessutom säkrare för personal som arbetar med telekomutrustning, vilket minskar risken för elektriska stötar och skador.

Nätaggregat för telekommunikationsutrustning måste uppfylla specifika driftskrav för att garantera tillförlitlighet och effektivitet. Här följer några viktiga specifikationer:

• Inspänningsområde: Nätaggregatet måste vara konstruerat för att tåla ett stort inspänningsområde.
• Spänningsreglering: Nätaggregatet måste ha en stabil och reglerad utspänning enligt telekomutrustningens krav.
• Hög verkningsgrad: Nätaggregatet måste vara ha en hög verkningsgrad för att minska effektförlusten och energiförbrukningen. Verkningsgrader på minst 90 % är typiska.
• Redundans: För att garantera avbrottsfri drift har nätaggregat ofta funktioner för redundans såsom N+1, där ett extra nätaggregat används. Om det ena går sönder, kan det andra ta över bördan.
• Utbytbara under drift: I verksamhetskritiska installationer bör nätaggregaten vara utbytbara under drift, vilket garanterar minimal stilleståndstid vid byte eller underhåll.
• Hög tillförlitlighet: Nätaggregatet ska vara utrustat med skyddsmekanismer för att undvika skador som orsakas av ogynnsamma driftsförhållanden, t.ex. överström, överspänning och kortslutning.

Den framåtriktade omvandlaren med aktiv begränsning

ACFC (framåtriktad omvandlare med aktiv begränsning) är en vanlig DC/DC-omvandlare i strömförsörjningssystem, och den används främst för att omvandla -48 V_DC till positiva spänningsnivåer. ACFC är en spänningsomvandlingskrets som integrerar egenskaper från den framåtriktade omvandlaren och den aktiva begränsningskretsen för att förbättra verkningsgraden. Tekniken är vanlig i strömförsörjningssystem för telekommunikation och datacenter.

Huvuddelen i en ACFC är en transformator (figur 1). Transformatorns huvudlindning tar emot inspänningen, vilket medför induktion av en spänning i sekundärlindningen. Transformatorns utspänning bestäms av dess lindningsförhållande.

Den aktiva begränsningskretsen, som innehåller extra halvledarswitchar och en kondensator, reglerar och styr den energi som finns i transformatorns läckageinduktans. När huvudswitchen är frånslagen leds den energi som lagrats i läckageinduktansen till begränsningskondensatorn, för att förhindra spänningstoppar. Detta arbetssätt minskar belastningen på huvudswitchen och förbättrar driftens verkningsgrad. Spänningen från transformatorns sekundärlindning likriktas med en diod och utspänningen glättas med en filterkondensator. Slutligen arbetar ACFC med mjuk switchning, vilket innebär att switchningsövergångarna är mjukare och orsakar mindre störningar. Detta medför minskad elektromagnetisk störning (EMI) och lägre switchningsförluster.

Figur 1: ACFC-topologin. (Källa: Analog Devices)

ACFC-kretsen minskar spänningstopparna och belastningen på komponenterna, vilket leder till förbättrad verkningsgrad, särskilt vid höga spänningsförhållanden mellan in- och utgång. Den kan dessutom hantera en stor mängd inspänningar, vilket gör den lämplig för tillämpningar i telekom- och datacenter med varierande inspänningar.

Nackdelarna med den aktiva begränsningskretsen är bl.a. följande

• Om den inte begränsas till ett maximalt värde kan en ökad driftcykel leda till transformatormättnad eller ytterligare spänningsbelastning på huvudswitchen, vilket kräver en exakt dimensionering av begränsningskondensatorn.
• ACFC är en DC-till-DC-omvandlare med ett steg. I takt med att effektnivån stiger kommer fördelarna med en flerfasig design för effektintensiva tillämpningar som telekom att öka.
• En konstruktion med aktiv begränsning i framåtriktningen kan inte skalas upp till högre uteffekt och bibehålla samma prestanda.

Att övervinna begränsningarna hos ACFC

MAX15258 från Analog Devices är en flerfas boost-reglering för hög spänning med ett digitalt I²C-gränssnit avsedd för tillämpningar inom telekom och industri. Enheten har ett stort inspänningsområde på 8 till 76 V för boost-konfiguration och -8 till -76 V för konfigurationer med inverterande buck/boost. Utspänningsområdet, från 3,3 till 60 V, omfattar kraven i olika tillämpningar, inklusive telekomutrustning.

En typisk tillämpning med denna mångsidiga krets är strömförsörjning av en 5G-makrocell eller femtocell som visas i figur 2. Funktionen för byte under drift garanteras av en styrkrets för byte under drift med negativ spänning, som t.ex. ADM1073 från ADI, som drivs med -48 V_DC. Samma spänning matar buck/boost-omvandlaren MAX15258, och kan ge en uteffekt på upp till 800 W.

Figur 2: Blockschema över ett strömförsörjningssteg för 5G-tillämpningar. (Källa: Analog Devices)

MAX15258 är konstruerad för att stödja upp till två MOSFET-drivkretsar och fyra externa MOSFET:ar i konfigurationer med en- eller tvåfas boost/inverterad buck-boost. Den kan även kombinera två enheter för tre- eller fyrfasdrift. Den har en intern FB-nivåskiftare för högspänning med differentiell avkänning av utspänningen när den är konfigurerad som en inverterande buck/boost-omvandlare. Via en särskild referensingång eller via ett digitalt I²C-gränssnitt kan utspänningen ställas in dynamiskt.

En extern resistor kan användas för att justera den interna oscillatorn, eller så kan regulatorn synkroniseras med en extern klocka för att bibehålla en konstant switchfrekvens. Switchningsfrekvenser från 120 kHz till 1 MHz stöds. Styrenheten är även skyddad mot överström, överspänning på utspänningen, underspänning på inspänningen och termisk avstängning.

Resistorn på OVP-stiftet anger antalet faser för regulatorn. Denna identifiering används för att bestämma hur styrenheten reagerar på den primära fasens flerfasiga klocksignal. I en omvandlare med fyra faser, är de två faserna för regulatorn MAX15258 eller målet överlappade med 180°, medan fasförskjutningen mellan regulatorn och målet är 90° (figur 3).

Fig. 3: Konfiguration med fyra faser - vågformer för styrenhet och mål. (Källa: Analog Devices)

Vid flerfasdrift övervakar MAX15258 sekundärsidans MOSFET-ström för aktiv balansering av fasströmmen. Som återkoppling tillämpas strömmens obalans för strömavkänningskretsen cykel för cykel, för att göra det lättare att reglera belastningsströmmen. På så sätt garanteras en rättvis fördelning mellan de två faserna. Till skillnad från framåtriktade omvandlare behöver konstruktörer inte ta hänsyn till en potentiell fasobalans på 15 % till 20 % i konstruktionsberäkningarna när de använder denna krets.

Vid tre- eller fyrfasdrift överförs den genomsnittliga strömmen per krets mellan styrenheten och målet via dedikerade differentialanslutningar. Styrenheten för strömläge och målenheterna reglerar sina respektive strömmar så att alla faser delar lastströmmen på ett rättvist sätt.

Den fyrfasiga överlappande strömförsörjningen med inverterande buck-boost som visas i figur 4 är lämplig för tillämpningar som kräver stora mängder effekt. Signalerna CSIO+ och CSIO- ansluter de två styrenheterna, och SYNC-stiften är anslutna för att garantera klockans synkronisering med det överlappande fasschemat med koordinerade faser.

Figur 4: Nätaggregat med inverterande buck-boost och fyra faser -48 V_IN till +48 V_OUT 800 W. (Källa: Analog Devices)

MAX15258 är en lågfrekvent boost-omvandlare. Detta minskar omvandlarens främsta källa till effektförlust - switchningsförlusterna. Eftersom respektive omvandlare arbetar i sitt lågförlustområde vid låg frekvens, ger detta hög uteffekt vid en hög likvärdig total frekvens. Det gör den till den självklara enheten för omvandling av -48 V_DC.

Den arbetar med en stabil arbetscykel och uppnår en hög uteffekt med extremt hög verkningsgrad. Figur 5 visar kurvorna för verkningsgrad i en kopplad induktorbaserad referenskonstruktion med MAX15258 för 800 W vid olika kombinationer av V_IN och V_OUT. Tack vare minskade ledningsförluster visar diagrammen tydligt verkningsgrader på mer än 98 %.

Figur 5: Verkningsgrad kontra utgående belastningsström för en 800 W referenskonstruktion med MAX15258 CL. (Källa: Analog Devices)

Sammanfattning

Nätaggregat har en viktig roll inom telekommunikationsindustrin. Tack vare deras förmåga att uppnå höga verkningsgrader och minimera effektförluster är framåtriktade omvandlare med aktiv begränsning (ACFC) att föredra vid utformning av nätaggregat för telekom. Inbyggda begränsningar kan dock hindra deras verkningsgrad vid vissa specifika omständigheter. För att övervinna begränsningarna hos omvandlare med aktiv begränsning har en ny generation strömförsörjningstekniker utvecklats, som erbjuder förbättrad verkningsgrad, ökad effekttäthet och förenklade styrmekanismer. Inom telekomindustrin banar dessa nya lösningar väg för mer avancerade och optimerade nätaggregat.