Obținerea unei eficiențe ridicate în sursele de alimentare pentru telecomunicații

Sectorul telecomunicațiilor a devenit o parte importantă a societății moderne și a comunicării globale instantanee. Fie că este vorba de un apel telefonic, de un mesaj text sau de o comandă web, echipamentele de telecomunicații asigură conexiuni fiabile. Sursa de alimentare care se află în spatele acestora este o componentă esențială care este rareori recunoscută.

Acest articol prezintă MAX15258 de la Analog Devices, care este proiectat pentru a găzdui până la două drivere MOSFET și patru MOSFET-uri externe în configurații monofazate sau bifazate de amplificare/inversare-coborâre-ridicare. Este posibilă combinarea a două dispozitive pentru o funcționare trifazată sau cvadrifazată, obținându-se astfel o putere de ieșire și niveluri de eficiență mai ridicate.

Satisfacerea nevoii de creștere a nivelului de energie electrică

Cererea de energie electrică în industria telecomunicațiilor a crescut de-a lungul timpului, determinată de evoluțiile tehnologice, de creșterea traficului de rețea și de extinderea infrastructurii de telecomunicații. Trecerea de la rețelele de generația a treia (3G) la rețelele de generația a patra (4G) și a cincea (5G) a dus la apariția unor echipamente avansate și de mare putere.

Implementarea tehnologiei 5G a avut un impact semnificativ asupra cerințelor de putere ale stațiilor de bază și ale turnurilor celulare. Stațiile de bază, în special cele din zonele urbane, au nevoie de niveluri de putere mai ridicate pentru a susține numărul crescut de antene și de unități radio necesare pentru configurațiile MIMO (intrări multiple, ieșiri multiple) masive și pentru formarea de fascicule.

Redundanța este un alt factor crucial. Sursele de alimentare trebuie să fie proiectate ținând cont de redundanță, incluzând adesea surse de alimentare de rezervă, cum ar fi baterii sau generatoare, pentru a asigura o funcționare neîntreruptă în caz de întreruperi de curent.

În comparație cu generațiile anterioare de rețele fără fir, implementarea tehnologiei mobile 5G introduce mai multe schimbări în ceea ce privește cerințele privind dispozitivele de alimentare. Pentru ca 5G să își respecte promisiunea de a oferi comunicații fiabile, de mare viteză și cu latență redusă, trebuie îndeplinite anumite criterii.

Cerințe privind amplificatorul de putere

• Acceptă un spectru larg de benzi de frecvență, inclusiv frecvențe sub 6 GHz și mmWave (unde milimetrice), care prezintă provocări unice pentru propagarea semnalului.
• Acceptă lățimi de bandă mai mari ale semnalului și niveluri de putere mai mari, precum și amplificare liniară pentru a preveni distorsiunea semnalelor cu viteză mare de date.
• Funcționează eficient pentru a minimiza consumul de energie și generarea de căldură, în special pentru dispozitivele alimentate cu baterii și pentru celulele mici de la distanță.
• Include un factor de formă ușor și compact, care se poate potrivi în carcase mici, cum ar fi locașurile de celule mici și echipamentele utilizatorilor.
• Încorporează materiale și tehnologii avansate, cum ar fi dispozitive semiconductoare din nitrură de galiu (GaN) și carbură de siliciu (SiC) pentru a asigura o densitate mai mare de putere, performanțe îmbunătățite și frecvențe de operare mai mari.

Cerințe de conversie a puterii

Din motive istorice, practice și tehnice, sistemele de telecomunicații utilizează de obicei o sursă de alimentare de -48 V_c.c. În cazul unei defecțiuni a rețelei sau al unei alte situații de urgență, rețelele de telecomunicații au nevoie de surse de energie de rezervă fiabile. Folosite în mod obișnuit pentru energia de rezervă, bateriile plumb-acid pot funcționa și la -48 V_c.c. Utilizarea aceleiași tensiuni atât pentru alimentarea primară, cât și pentru cea de rezervă facilitează proiectarea și întreținerea sistemelor de rezervă. În plus, tensiunile mai mici, cum ar fi -48 V_c.c., sunt mai sigure pentru personalul care lucrează cu echipamente de telecomunicații, reducând riscul de șocuri electrice și răniri.

Sursele de alimentare pentru echipamentele de telecomunicații trebuie să îndeplinească cerințe operaționale specifice pentru a asigura fiabilitatea și eficiența. Iată câteva specificații importante:

• Gama tensiunilor de intrare: sursa de alimentare trebuie să fie proiectată pentru a tolera o gamă largă de tensiuni de intrare.
• Reglarea tensiunii: sursa de alimentare trebuie să asigure o tensiune de ieșire stabilă și reglată conform cerințelor echipamentului de telecomunicații.
• Eficiență ridicată: sursele de alimentare trebuie să fie foarte eficiente pentru a reduce pierderile de putere și consumul de energie. Eficiența de cel puțin 90% este una tipică.
• Redundanță: pentru a asigura o funcționare neîntreruptă, sursele de alimentare includ frecvent caracteristici de redundanță, cum ar fi N+1, unde se utilizează o sursă de alimentare suplimentară. Dacă una dintre acestea se defectează, cealaltă își poate asuma sarcina.
• Înlocuire la cald: în cazul instalațiilor critice, sursele de alimentare trebuie să poată fi înlocuite la cald, asigurând o durată minimă de nefuncționare în timpul înlocuirii sau întreținerii.
• Fiabilitate ridicată: sursa de alimentare ar trebui să fie echipată cu mecanisme de protecție pentru a evita daunele cauzate de condiții de funcționare nefavorabile, cum ar fi supracurentul, supratensiunea și scurtcircuitele.

Convertor forward cu clemă activă

Convertorul forward cu clemă directă (ACFC) este o configurație de convertor c.c./c.c. comună în sistemele de alimentare și este utilizat în principal pentru a converti -48 V_c.c. în niveluri de tensiune pozitivă. ACFC este un circuit de conversie a tensiunii care integrează caracteristicile convertorului forward și ale circuitului cu clemă activă pentru a spori eficiența. Această tehnologie este răspândită în sistemele de alimentare cu energie electrică pentru telecomunicații și pentru aparatele din centrele de date.

Elementul central al ACFC este un transformator (Figura 1). Înfășurarea principală a transformatorului primește tensiunea de intrare, ceea ce duce la inducerea unei tensiuni în înfășurarea secundară. Tensiunea de ieșire a transformatorului este determinată de raportul de spire al acestuia.

Circuitul de clemă activă, care încorporează comutatoare semiconductoare suplimentare și un condensator, reglează și controlează energia conținută în inductanța de scurgere a transformatorului. Atunci când comutatorul primar este oprit, energia stocată în inductanța de scurgere este redirecționată către condensatorul de limitare, prevenind astfel vârfurile de tensiune. Această practică reduce presiunea asupra comutatorului primar și îmbunătățește eficiența operațională. Tensiunea de la înfășurarea secundară a transformatorului este redresată de o diodă, iar tensiunea de ieșire este netezită de un condensator de filtrare a ieșirii. În cele din urmă, ACFC funcționează cu comutare soft, ceea ce înseamnă că tranzițiile de comutare sunt mai line și produc mai puțin zgomot. Acest lucru duce la reducerea interferențelor electromagnetice (EMI) și la pierderi de comutare mai mici.

Figura 1: Topologia ACFC. (Sursa: Analog Devices)

Circuitul ACFC reduce vârfurile de tensiune și solicitările asupra componentelor, ceea ce duce la o eficiență îmbunătățită, în special la rapoarte mari de tensiune de intrare-ieșire. În plus, poate gestiona o gamă largă de tensiuni de intrare, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații de telecomunicații și centre de date cu tensiuni de intrare variabile.

Dezavantajele circuitului cu clemă activă includ următoarele:

• Dacă nu este limitat la o valoare maximă, un ciclu de funcționare crescut poate duce la saturarea transformatorului sau la un efort de tensiune suplimentar asupra comutatorului principal, ceea ce necesită dimensionarea precisă a condensatorului de limitare.
• ACFC este un convertor c.c. - c.c. cu un singur etaj. Pe măsură ce nivelul de putere crește, avantajele unui design multifazic pentru aplicațiile cu consum mare de energie, cum ar fi telecomunicațiile, vor crește.
• Un design forward cu clemă activă nu poate fi scalat la o putere de ieșire mai mare și să mențină performanțe similare.

Depășirea limitelor ACFC

MAX15258 de la Analog Devices este un controler de amplificare multifazică de înaltă tensiune cu o interfață digitală I²C, proiectat pentru aplicații industriale și de telecomunicații. Dispozitivul dispune de o gamă largă de tensiuni de intrare de la 8 V la 76 V pentru configurația de amplificare și de la -8 V la -76 V pentru configurația coborâre/ridicare inversată. Gama de tensiuni de ieșire, de la 3,3 V la 60 V, acoperă cerințele diverselor aplicații, inclusiv ale dispozitivelor de telecomunicații.

O aplicație tipică a acestui circuit integrat versatil este sursa de alimentare pentru o macrocelulă sau femtocelulă 5G, prezentată în Figura 2. Funcția de schimbare la cald este asigurată de un controler pentru schimbare la cald cu tensiune negativă, cum ar fi ADM1073 de la ADI, alimentat de -48 V_c.c. Aceeași tensiune alimentează convertorul de coborâre/ridicare MAX15258, care este capabil să furnizeze o putere de ieșire de până la 800 W.

Figura 2: Schema bloc a unui etaj de alimentare pentru aplicații 5G. (Sursa: Analog Devices)

MAX15258 este proiectat pentru a accepta până la două drivere MOSFET și patru MOSFET-uri externe în configurații monofazate sau bifazate de amplificare/inversie-coborâre-amplificare. De asemenea, combină două dispozitive pentru o funcționare trifazică sau cvadrifazică. Acesta are un comutator de nivel FB de înaltă tensiune intern pentru detectarea diferențială a tensiunii de ieșire atunci când este configurat ca un convertor coborâre-ridicare cu inversare. Prin intermediul unui pin de intrare de referință dedicat sau prin intermediul unei interfețe digitale I²C, tensiunea de ieșire poate fi setată dinamic.

Un rezistor extern poate fi utilizat pentru a regla oscilatorul intern, sau regulatorul poate fi sincronizat cu un ceas extern pentru a menține o frecvență de comutare constantă. Sunt acceptate frecvențe de comutare de la 120 kHz la 1 MHz. De asemenea, controlerul este protejat împotriva supracurentului, a supratensiunii de ieșire, a subtensiunii de intrare și a opririi termice.

Rezistorul de la pinul OVP desemnează numărul de faze la controler. Această identificare este utilizată pentru a determina modul în care controlerul răspunde la semnalul de ceas multifazic al fazei primare. Într-un convertor cu patru faze, cele două faze ale controlerului MAX15258 sau ale țintei sunt intercalate la 180°, în timp ce defazajul dintre controler și țintă este de 90° (Figura 3).

Figura 3: Configurație cu patru faze - forme de undă ale controlerului și ale țintei. (Sursa: Analog Devices)

În cazul operațiunilor multifazice, MAX15258 monitorizează curentul MOSFET-ului low-side pentru echilibrarea activă a curentului de fază. Ca feedback, dezechilibrul de curent este aplicat la circuitul de detectare a curentului la fiecare ciclu de funcționare, pentru a ajuta la reglarea curentului de sarcină. În acest fel se asigură o distribuție egală între cele două faze. Spre deosebire de modelele de convertoare forward, proiectanții nu trebuie să ia în considerare un posibil dezechilibru de fază de 15% până la 20% în timpul etapelor de calcul al proiectului atunci când folosesc acest circuit integrat.

În cazul funcționării trifazice sau cvadrifazice, curentul mediu per cip este transmis între controler și țintă prin intermediul unor conexiuni diferențiale dedicate. Controlerul în mod curent și dispozitivele țintă își reglează curenții respectivi astfel ca toate fazele să împartă în mod egal curentul de sarcină.

Sursa de alimentare pentru coborâre/ridicare cu inversare și cu patru faze intercalate, prezentată în Figura 4, este potrivită pentru aplicații care necesită cantități mari de energie. Semnalele CSIO+ și CSIO- conectează cele două controlere, iar pinii SYNC sunt conectați pentru a asigura sincronizarea ceasului pentru schema de intercalare a fazelor cu faze coordonate.

Figura 4: Sursă de alimentare coborâre-ridicare cu patru faze și inversare de la -48 V_IN la +48 V_OUT de 800 W. (Sursa: Analog Devices)

MAX15258 este un convertor de amplificare de frecvență joasă. Acesta reduce pierderea de putere principală a convertoarelor – pierderile de comutare. Deoarece fiecare convertor funcționează în zona sa cu pierderi reduse la frecvență joasă, acesta oferă o putere de ieșire ridicată la o frecvență totală echivalentă ridicată. Acest lucru îl face potrivit pentru conversia -48 V_c.c.

Având un ciclu de funcționare stabil, dispozitivul obține o putere de ieșire ridicată cu o eficiență extrem de mare. Figura 5 prezintă curbele de eficiență ale unui proiect de referință MAX15258 de 800 W bazat pe un inductor cuplat, pentru diferite combinații de V_IN și V_OUT. Ca urmare a pierderilor de conducție reduse, diagramele prezintă în mod clar valori de eficiență de peste 98%.

Figura 5: Eficiența în funcție de curentul de sarcină de ieșire al unui proiect de referință MAX15258 CL de 800 W. (Sursa: Analog Devices)

Concluzie

Sursele de alimentare joacă un rol important în industria telecomunicațiilor. Datorită capacității lor de a atinge un randament ridicat și de a minimiza pierderile de putere, convertoarele forward cu clemă activă (ACFC) sunt preferate în proiectarea surselor de alimentare în telecomunicații. Cu toate acestea, limitările inerente le pot afecta eficacitatea în anumite circumstanțe. Pentru a depăși limitările convertoarelor forward cu clemă activă, a apărut o nouă generație de tehnologii de alimentare, care oferă eficiență sporită, o densitate de putere crescută și mecanisme de control simplificate. În industria telecomunicațiilor, aceste soluții noi deschid calea pentru surse de alimentare mai avansate și mai optimizate.