羅爾夫·霍恩

　　電信部門已成為現(xiàn)代社會和即時全球通信的重要組成部分。無論是電話、短信還是網(wǎng)絡(luò)命令，電信設(shè)備都能確保可靠的連接。幕后運(yùn)行的電源是一個很少被人認(rèn)識到的重要組件。

　　本文重點(diǎn)介紹Analog Devices 的 MAX15258，該器件設(shè)計用于在單相或雙相升壓/反相降壓升壓配置中容納最多兩個 MOSFET 驅(qū)動器和四個外部 MOSFET?？梢詫蓚€設(shè)備組合起來進(jìn)行三相或四相操作，從而實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率和效率水平。

　　滿足不斷增長的電力需求

　　在技術(shù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)流量增加和電信基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張的推動下，電信行業(yè)的電力需求隨著時間的推移而不斷增長。從第三代(3G)到第四代(4G)和第五代(5G)網(wǎng)絡(luò)的過渡催生了先進(jìn)的高功率設(shè)備。

　　5G技術(shù)的部署對基站和蜂窩塔的功率需求產(chǎn)生了重大影響。基站，特別是城市地區(qū)的基站，需要更高的功率水平來支持大規(guī)模 MIMO(多輸入、多輸出)配置和波束成形所需的更多天線和無線電單元。

　　冗余是另一個關(guān)鍵因素。電源的設(shè)計必須考慮到冗余，通常包括電池或發(fā)電機(jī)等備用電源，以確保停電時不間斷運(yùn)行。

　　與前幾代無線網(wǎng)絡(luò)相比，5G 移動技術(shù)的部署對電源器件要求帶來了一些變化。為了讓 5G 兌現(xiàn)可靠、高速和低延遲通信的承諾，必須滿足一些標(biāo)準(zhǔn)。

　　功率放大器要求

　　支持廣泛的頻段，包括 6 GHz 以下和毫米波(毫米波)頻率，這對信號傳播提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

　　適應(yīng)更寬的信號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)速率信號失真。

　　高效運(yùn)行，最大限度地減少功耗和熱量產(chǎn)生，特別是對于電池供電的設(shè)備和遠(yuǎn)程小型基站。

　　包括輕質(zhì)、緊湊的外形，可以安裝到小型外殼中，例如小型蜂窩基站和用戶設(shè)備。

　　結(jié)合先進(jìn)的材料和技術(shù)，例如由氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 制成的半導(dǎo)體器件，以提供更高的功率密度、增強(qiáng)的性能和更高的工作頻率。

　　電源轉(zhuǎn)換要求

　　由于歷史、實(shí)際和技術(shù)原因，電信系統(tǒng)通常使用 -48 V直流電源。如果發(fā)生電網(wǎng)故障或其他緊急情況，電信網(wǎng)絡(luò)需要可靠的備用電源。鉛酸電池通常用于備用電源，也可以在 -48 V直流電壓下運(yùn)行。主電源和備用電源使用相同的電壓可以更輕松地設(shè)計和維護(hù)備用系統(tǒng)。此外，-48 V DC等較低電壓對于使用電信設(shè)備的人員來說更加安全，從而降低了觸電和受傷的風(fēng)險。

　　電信設(shè)備的電源必須滿足特定的操作要求，以確?？煽啃院托?。以下是一些重要的規(guī)格：

　　輸入電壓范圍：電源的設(shè)計應(yīng)能夠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)定且穩(wěn)定的輸出電壓。

　　高效率：電源應(yīng)高效，以減少功率損耗和能源消耗。通常效率至少為 90%。

　　冗余：為了確保不間斷運(yùn)行，電源通常包含冗余功能，例如使用附加電源的 N+1。如果其中一方失敗，另一方可以承擔(dān)責(zé)任。

　　可熱插拔：在關(guān)鍵任務(wù)安裝中，電源應(yīng)可熱插拔，以確保更換或維護(hù)期間的停機(jī)時間最短。

　　高可靠性：電源應(yīng)配備保護(hù)機(jī)制，避免因過流、過壓、短路等不良工作條件而造成損壞。

　　有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器

　　有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器 (ACFC) 是電源系統(tǒng)中常見的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置，主要用于將 -48 V DC轉(zhuǎn)換為正電壓電平。 ACFC是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，集成了正激轉(zhuǎn)換器和有源鉗位電路的特性以提高效率。該技術(shù)在電信和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的供電系統(tǒng)中很普遍。

　　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，從而在次級繞組中感應(yīng)出電壓。變壓器的輸出電壓由其匝數(shù)比決定。

　　有源鉗位電路包含輔助半導(dǎo)體開關(guān)和電容器，可調(diào)節(jié)和控制變壓器漏感內(nèi)包含的能量。當(dāng)主開關(guān)關(guān)閉時，存儲在漏感中的能量被重定向到鉗位電容器，從而防止電壓尖峰。這種做法減輕了主開關(guān)的壓力并提高了運(yùn)行效率。來自變壓器次級繞組的電壓通過二極管進(jìn)行整流，輸出電壓通過輸出濾波電容器進(jìn)行平滑。最后，ACFC 采用軟開關(guān)運(yùn)行，這意味著開關(guān)轉(zhuǎn)換更加平滑并且產(chǎn)生的噪聲更少。這樣可以減少電磁干擾 (EMI) 并降低開關(guān)損耗。

　　圖 1：ACFC 拓?fù)洹?(來源：ADI)

　　ACFC 電路減少了電壓尖峰和元件壓力，從而提高了效率，尤其是在高輸入輸出電壓比的情況下。此外，它可以處理寬范圍的輸入電壓，使其適合具有不同輸入電壓的電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

　　有源鉗位電路的缺點(diǎn)包括：

　　如果不限制在最大值，則增加的占空比可能會導(dǎo)致變壓器飽和或主開關(guān)上的額外電壓應(yīng)力，從而需要精確確定鉗位電容器的尺寸。

　　ACFC 是一種單級 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。隨著功率水平的提高，多相設(shè)計對于電信等功率密集型應(yīng)用的優(yōu)勢將會增加。

　　有源鉗位正向設(shè)計無法擴(kuò)展到更高的輸出功率并保持相似的性能。

　　克服 ACFC 的限制

　　Analog Devices 的 MAX15258 是一款高壓多相升壓控制器，具有 I 2 C 數(shù)字接口，專為電信和工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計。該器件的升壓配置輸入電壓范圍為 8V 至 76V，反相降壓/升壓配置輸入電壓范圍為 -8V 至 -76V。輸出電壓范圍為 3.3 V 至 60 V，可滿足包括電信設(shè)備在內(nèi)的各種應(yīng)用的要求。

　　這種多功能 IC 的典型應(yīng)用是圖 2 所示的 5G 宏蜂窩或毫微微蜂窩的電源。熱插拔功能由負(fù)電壓熱插拔控制器確保，例如 ADI 的 ADM1073，由 -48 V DC供電。同樣的電壓為 MAX15258 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器能夠提供高達(dá) 800 W 的輸出功率。

　　圖 2：5G 應(yīng)用電源級框圖。 (來源：ADI)

　　MAX15258設(shè)計用于在升壓/反相-降壓-升壓單相或雙相配置中支持多達(dá)兩個MOSFET驅(qū)動器和四個外部MOSFET。它還結(jié)合了兩個設(shè)備以進(jìn)行三相或四相操作。它具有一個內(nèi)部高壓 FB 電平轉(zhuǎn)換器，用于在配置為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時差分感測輸出電壓。通過專用參考輸入引腳或通過 I 2 C 數(shù)字接口，可以動態(tài)設(shè)置輸出電壓。

　　外部電阻器可用于調(diào)節(jié)內(nèi)部振蕩器，或者調(diào)節(jié)器可與外部時鐘同步以保持恒定的開關(guān)頻率。支持 120 kHz 至 1 MHz 的開關(guān)頻率。該控制器還具有過流、輸出過壓、輸入欠壓和熱關(guān)斷保護(hù)。

　　OVP 引腳上的電阻指定控制器的相數(shù)。該標(biāo)識用于確定控制器如何響應(yīng)主相的多相時鐘信號。在四相轉(zhuǎn)換器中，MAX15258 控制器或目標(biāo)的兩相交錯 180°，而控制器和目標(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。 (來源：ADI)

　　在多相操作中，MAX15258監(jiān)控低側(cè)MOSFET電流，以實(shí)現(xiàn)有源相電流平衡。作為反饋，電流不平衡被施加到逐周期電流感測電路，以幫助調(diào)節(jié)負(fù)載電流。這樣做可以確保兩個階段之間的公平分配。與正激轉(zhuǎn)換器設(shè)計不同，設(shè)計人員在使用該 IC 時無需在設(shè)計計算階段考慮可能的 15% 至 20% 相位不平衡。

　　在三相或四相操作中，平均每芯片電流通過專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，以便所有相公平地共享負(fù)載電流。

　　圖 4 所示的四相交錯反相降壓-升壓電源適用于需要大量功率的應(yīng)用。 CSIO+ 和 CSIO– 信號連接兩個控制器，連接 SYNC 引腳以確保具有協(xié)調(diào)相位的相位交錯方案的時鐘同步。

　　圖 4：四相反相降壓-升壓 -48 V輸入至 +48 V輸出800 W 電源。 (來源：ADI)

　　MAX15258是一款低頻升壓轉(zhuǎn)換器。這減少了轉(zhuǎn)換器的主要功率損耗來源——開關(guān)損耗。由于每個轉(zhuǎn)換器在低頻下在其低損耗區(qū)域運(yùn)行，因此可以在高等效總頻率下提供高輸出功率。這使其成為轉(zhuǎn)換 -48 V DC的首選設(shè)備。

　　以穩(wěn)定的占空比運(yùn)行，可獲得高輸出功率和極高的效率。圖5顯示了基于耦合電感器的MAX15258 800 W參考設(shè)計在V IN和V OUT的各種組合下的效率曲線。由于傳導(dǎo)損耗減少，這些圖清楚地顯示了超過 98% 的效率數(shù)字。

　　圖 5：MAX15258 CL 800 W 參考設(shè)計的效率與輸出負(fù)載電流的關(guān)系。 (來源：ADI)

　　結(jié)論

　　電源在電信行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。由于有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器 (ACFC) 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率并最大限度地減少功率損耗，因此在電信電源設(shè)計中受到青睞。然而，固有的局限性可能會阻礙它們在特定情況下的功效。為了克服有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器的局限性，新一代電源技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它具有更高的效率、更高的功率密度和簡化的控制機(jī)制。在電信行業(yè)，這些新穎的解決方案為更先進(jìn)和優(yōu)化的電源鋪平了道路。