Osiąganie wysokiej sprawności w zasilaczach telekomunikacyjnych

Sektor telekomunikacyjny stał się ważnym elementem nowoczesnego społeczeństwa i szybkiej komunikacji globalnej. Urządzenia telekomunikacyjne zapewniają niezawodną łączność, niezależnie od tego, czy chodzi o połączenie telefoniczne, wiadomość tekstową, czy też wysyłanie poleceń przez Internet. Zasilacz działający w tle jest niezbędnym komponentem, który rzadko jest dostrzegany.

W tym artykule skupiono się na urządzeniu MAX15258 firmy Analog Devices, które jest przeznaczone do pracy z maksymalnie dwoma sterownikami MOSFET i czterema zewnętrznymi tranzystorami MOSFET w jednofazowych lub dwufazowych konfiguracjach podwyższających bądź odwracających obniżająco-podwyższających. Możliwe jest połączenie dwóch urządzeń w celu uzyskania pracy trójfazowej lub czterofazowej, co pozwala uzyskać wyższe moce wyjściowe i wyższe poziomy sprawności.

Zaspokajanie zwiększonego zapotrzebowania na moc

Zapotrzebowanie na moc w branży telekomunikacyjnej rośnie z czasem w wyniku rozwoju technologii, zwiększonego ruchu w sieci oraz rozbudowy infrastruktury telekomunikacyjnej. Przejście z sieci trzeciej generacji (3G) na sieci czwartej generacji (4G) i piątej generacji (5G) doprowadziło do powstania zaawansowanych urządzeń o dużej mocy.

Wdrożenie technologii 5G miało znaczący wpływ na zapotrzebowanie na moc w stacjach bazowych i wieżach komórkowych. Stacje bazowe, szczególnie te na obszarach miejskich, wymagają wyższych poziomów mocy do obsługi większej liczby anten i jednostek radiowych potrzebnych w ogromnych konfiguracjach MIMO (wiele wejść, wiele wyjść) i do formowania wiązek.

Kolejnym kluczowym czynnikiem jest redundancja. Zasilacze muszą być zaprojektowane z myślą o redundancji, często zawierając zapasowe źródła zasilania, takie jak baterie lub generatory, aby zapewnić nieprzerwane działanie w przypadku zaników zasilania.

W porównaniu z poprzednimi generacjami sieci bezprzewodowych, wdrożenie technologii mobilnej 5G wprowadza kilka zmian w wymaganiach dotyczących urządzeń zasilających. Aby sieć 5G mogła zagwarantować niezawodną i szybką komunikację o niskiej latencji, konieczne jest spełnienie pewnych kryteriów.

Wymagania dotyczące wzmacniaczy mocy

• Obsługa szerokiego widma pasm częstotliwości, w tym częstotliwości poniżej 6GHz i fal milimetrowych, które stanowią unikalne wyzwania dla propagacji sygnału.
• Obsługa większych szerokości pasma sygnałów i wyższych poziomów mocy, a także zapewnienie liniowego wzmocnienia zapobiegającego zniekształceniom sygnałów wysokiej szybkości przesyłu danych.
• Sprawność działania w celu zminimalizowania poboru mocy i wytwarzania ciepła, szczególnie w przypadku urządzeń z zasilaniem bateryjnym i zdalnych urządzeń małokomórkowych.
• Lekka, kompaktowa budowa, która zmieści się w niewielkich obudowach, na przykład w urządzeniach małokomórkowych i sprzęcie użytkownika.
• Zastosowanie zaawansowanych materiałów i technologii, takich jak elementy półprzewodnikowe wykonane z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC), aby zapewnić większą gęstość mocy, lepsze parametry działania i wyższe częstotliwości robocze.

Wymagania w dziedzinie konwersji mocy

Ze względów historycznych, praktycznych i technicznych, w systemach telekomunikacyjnych zwykle stosuje się napięcie zasilania -48V₌. W przypadku nieprawidłowego działania sieci lub innych sytuacji awaryjnych, sieci telekomunikacyjne wymagają niezawodnych rezerwowych źródeł zasilania. Powszechnie stosowane jako rezerwa mocy akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą również pracować przy napięciu -48V₌. Użycie tego samego napięcia do zasilania głównego i rezerwowego ułatwia projektowanie i utrzymanie systemów rezerwowych. Dodatkowo niższe napięcia, takie jak -48V₌, są bezpieczniejsze dla personelu pracującego ze sprzętem telekomunikacyjnym, zmniejszając ryzyko porażenia prądem elektrycznym i obrażeń ciała.

Zasilacze do urządzeń telekomunikacyjnych muszą spełniać określone wymagania operacyjne, aby zapewnić niezawodność i sprawność. Oto kilka ważnych specyfikacji:

• Zakres napięć wejściowych: zasilacz powinien być zaprojektowany tak, aby tolerował szeroki zakres napięć wejściowych.
• Regulacja napięcia: zasilacz musi zapewniać stabilne i regulowane napięcie wyjściowe zgodnie z wymaganiami sprzętu telekomunikacyjnego.
• Wysoka sprawność: zasilacze powinny mieć wysoką sprawność, aby zmniejszyć straty mocy i zużycie energii. Typowa sprawność wynosi co najmniej 90%.
• Redundancja: aby zapewnić nieprzerwane działanie, zasilacze często zawierają funkcje redundancji, np. w postaci układu N+1 w przypadku użycia dodatkowego zasilacza. Jeśli jeden zawiedzie, drugi może przejąć obciążenie.
• Możliwość wymiany podczas pracy: w instalacjach o znaczeniu krytycznym, zasilacze powinny dawać się wymieniać podczas pracy, co zapewni minimalny czas przestoju podczas wymiany lub konserwacji.
• Wysoka niezawodność: zasilacz powinien być wyposażony w mechanizmy zabezpieczające, zapobiegające uszkodzeniom spowodowanym przez niekorzystne warunki pracy, takie jak nadmierne natężenie prądu, nadmierne napięcie i zwarcia.

Przetwornica przepływowa z aktywnym ograniczaniem (ACFC)

Przetwornica przepływowa z aktywnym ograniczaniem (ACFC) jest konfiguracją przetwornicy prądu stałego powszechną w układach zasilania i służy głównie do konwersji napięcia -48V₌ do dodatnich poziomów. Przetwornica przepływowa z aktywnym ograniczaniem (ACFC) jest obwodem konwersji napięcia, który łączy w sobie charakterystykę przetwornicy przepływowej i obwodu z funkcją aktywnego ograniczania w celu zwiększania sprawności. Technologia ta jest powszechnie stosowana w układach zasilania urządzeń telekomunikacyjnych i urządzeń ośrodków przetwarzania danych.

Centralnym elementem przetwornicy przepływowej z aktywnym ograniczaniem (ACFC) jest transformator (ilustracja 1). Uzwojenie główne transformatora otrzymuje napięcie wejściowe, co powoduje indukcję napięcia w uzwojeniu wtórnym. Napięcie wyjściowe transformatora zależy od jego przekładni zwojowej.

Obwód aktywnego ograniczania, który zawiera dodatkowe przełączniki półprzewodnikowe oraz kondensator, reguluje energię zawartą w indukcyjności rozproszenia transformatora i zarządza nią. Gdy przełącznik strony pierwotnej jest wyłączony, energia zmagazynowana w indukcyjności rozproszenia jest przekierowywana do kondensatora ograniczającego, zapobiegając w ten sposób skokom napięcia. Praktyka ta zmniejsza obciążenie przełącznika głównego i zwiększa efektywność działania. Napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora jest prostowane przez diodę, a napięcie wyjściowe jest wygładzane przez kondensator filtra wyjściowego. Wreszcie, przetwornica przepływowa z aktywnym ograniczaniem (ACFC) działa z przełączaniem miękkim, co oznacza, że przejścia przełączania są płynniejsze i generują mniej szumów. Powoduje to zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i niższe straty przełączania.

Ilustracja 1: topologia przetwornicy przepływowej z aktywnym ograniczaniem (ACFC). (Źródło: Analog Devices)

Przetwornica przepływowa z aktywnym ograniczaniem (ACFC) zmniejsza skoki napięcia i obciążenia komponentów, co prowadzi do poprawy sprawności, szczególnie przy wysokich stosunkach napięcia wejściowego do wyjściowego. Ponadto może obsługiwać szeroki zakres napięć wejściowych, dzięki czemu sprawdza się w zastosowaniach telekomunikacyjnych oraz w ośrodkach przetwarzania danych o różnych napięciach wejściowych.

Wady obwodu aktywnego ograniczania:

• Jeśli wartość nie zostanie ograniczona do maksymalnej, zwiększony cykl pracy może skutkować nasyceniem transformatora lub dodatkowym obciążeniem napięciowym na głównym przełączniku, co wymaga precyzyjnego określenia wartości kondensatora ograniczającego.
• Przetwornica przepływowa z aktywnym ograniczaniem (ACFC) jest jednostopniową przetwornicą prądu stałego. Wraz ze wzrostem poziomu mocy będą rosły zalety konstrukcji wielofazowych w zastosowaniach energochłonnych, takich jak telekomunikacja.
• Konstrukcji przepływowej z aktywnym ograniczaniem nie da się skalować do wyższej mocy wyjściowej przy zachowaniu podobnych parametrów działania.

Pokonywanie ograniczeń przetwornicy przepływowej z aktywnym ograniczaniem (ACFC)

Kontroler MAX15258 firmy Analog Devices jest wielofazowym kontrolerem podwyższającym wysokiego napięcia z interfejsem cyfrowym I²C, przeznaczonym do zastosowań telekomunikacyjnych i przemysłowych. Urządzenie charakteryzuje się szerokim zakresem napięć wejściowych od 8V do 76V w konfiguracji podwyższającej oraz od -8V do -76V w odwracającej konfiguracji obniżająco-podwyższającej. Zakres napięć wyjściowych od 3,3V do 60V pozwala spełnić wymagania różnych zastosowań, w tym urządzeń telekomunikacyjnych.

Typowym zastosowaniem tego uniwersalnego układu scalonego jest zasilanie makrokomórek lub femtokomórek 5G pokazanych na ilustracji 2. Funkcja przełączania podczas pracy jest realizowana przez kontroler ujemnego napięcia z możliwością przełączania podczas pracy, taki jak ADM1073 firmy ADI zasilany napięciem -48V₌. To samo napięcie zasila przetwornicę obniżająco-podwyższającą MAX15258, która jest w stanie zapewnić moc wyjściową do 800W.

Ilustracja 2: schemat blokowy stopnia zasilającego do zastosowań 5G. (Źródło: Analog Devices)

Urządzenie MAX15258 zaprojektowano do obsługi maksymalnie dwóch sterowników MOSFET i czterech zewnętrznych tranzystorów MOSFET w jednofazowych lub dwufazowych konfiguracjach podwyższających lub odwracających obniżająco-podwyższających. Stanowi ono kombinację dwóch urządzeń na potrzeby pracy w trybie trójfazowym lub czterofazowym. Posiada wewnętrzny wysokonapięciowy zmieniacz poziomów FB do różnicowego pomiaru napięcia wyjściowego przetwornicy w konfiguracji odwracającej obniżająco-podwyższającej. Napięcie wyjściowe można ustawiać dynamicznie przez dedykowany wtyk wejścia referencyjnego lub przez interfejs cyfrowy I²C.

Do regulacji oscylatora wewnętrznego można użyć rezystora zewnętrznego lub można zsynchronizować regulator z zegarem zewnętrznym w celu utrzymania stałej częstotliwości przełączania. Obsługiwane są częstotliwości przełączania od 120kHz do 1MHz. Kontroler jest również chroniony przed nadmiernym prądem, nadmiernym napięciem wyjściowym i zbyt niskim napięciem wejściowym oraz posiada wyłączanie termiczne.

Rezystor na wtyku zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP) określa liczbę faz dla kontrolera. Ta identyfikacja służy do określenia, w jaki sposób kontroler reaguje na wielofazowy sygnał zegara fazy pierwotnej. W przetwornicy czterofazowej dwie fazy kontrolera MAX15258 lub układu docelowego przeplatają się co 180°, podczas gdy przesunięcie fazowe między kontrolerem i układem docelowym wynosi 90° (ilustracja 3).

Ilustracja 3: konfiguracja czterofazowa - przebiegi kontrolera i układu docelowego. (Źródło: Analog Devices)

W przypadku pracy wielofazowej, urządzenie MAX15258 monitoruje prąd strony niskiej tranzystora MOSFET w celu aktywnego równoważenia prądów fazowych. Sygnał zwrotny niezrównoważenia prądu jest podawany do obwodu pomiarowego prądu w każdym cyklu, aby pomóc w regulacji prądu obciążenia. Zapewnia to równomierny rozkład między dwiema fazami. W przeciwieństwie do konstrukcji przetwornicy przepływowej, projektanci nie muszą uwzględniać ewentualnego niezrównoważenia fazowego od 15% do 20% na etapach obliczeń projektowych podczas korzystania z omawianego układu scalonego.

W trybie trójfazowym lub czterofazowym średni prąd jednego mikroukładu jest przesyłany między kontrolerem a układem docelowym za pośrednictwem dedykowanych połączeń różnicowych. Kontroler trybu prądowego i urządzenia docelowe regulują swoje odpowiednie prądy w taki sposób, że wszystkie fazy równomiernie dzielą prąd obciążenia.

Przedstawiony na ilustracji 4 czterofazowy zasilacz odwracający obniżająco-podwyższający z przeplotem jest odpowiedni do zastosowań wymagających dużych mocy. Sygnały CSIO+ i CSIO- łączą oba kontrolery, a podłączenie wtyków SYNC zapewnia synchronizację zegara w trybie przeplatania fazowego ze skoordynowanymi fazami.

Ilustracja 4: czterofazowa odwracająca przetwornica obniżająco-podwyższająca 800W z konwersją napięcia zasilania -48V_IN na +48V_OUT. (Źródło: Analog Devices)

Urządzenie MAX15258 jest przetwornicą podwyższającą niskiej częstotliwości. Zmniejsza to podstawowe źródło strat mocy w przetwornicach - straty przełączania. Praca każdej przetwornicy w swoim obszarze niskich strat przy niskiej częstotliwości zapewnia wysoką moc wyjściową przy wysokiej równoważnej częstotliwości całkowitej. Dzięki temu jest to idealne urządzenie do konwersji napięcia -48V₌.

Działając przy stabilnym cyklu pracy, uzyskuje ono wysoką moc wyjściową przy wyjątkowo wysokiej sprawności. Ilustracja 5 przedstawia krzywe sprawności opartego na sprzężonych cewkach indukcyjnych projektu referencyjnego MAX15258 o mocy 800W dla różnych kombinacji napięć V_IN oraz V_OUT. W wyniku zmniejszonych strat przewodzenia, wykresy wyraźnie pokazują wartości sprawności powyżej 98%.

Ilustracja 5: sprawność w funkcji wyjściowego prądu obciążenia projektu referencyjnego MAX15258 CL 800W. (Źródło: Analog Devices)

Podsumowanie

Zasilacze odgrywają ważną rolę w branży telekomunikacyjnej. Ze względu na możliwość uzyskania wysokiej sprawności i minimalizacji strat mocy w projektach zasilaczy telekomunikacyjnych preferowane są przetwornice przepływowe z aktywnym ograniczaniem (ACFC). Jednak ich nieodłączne niedoskonałości mogą ograniczać skuteczność w szczególnych okolicznościach. Aby przezwyciężyć niedoskonałości przetwornic z przepływowych z aktywnym ograniczaniem (ACFC), opracowano nową generację technologii zasilania, oferującą wyższą sprawność, zwiększoną gęstość mocy i uproszczone mechanizmy sterowania. Te nowatorskie rozwiązania torują drogę dla bardziej zaawansowanych i zoptymalizowanych zasilaczy w branży telekomunikacyjnej.