Een hoge efficiëntie bereiken in telecomvoedingen

De telecommunicatiesector is een belangrijk onderdeel geworden van de moderne samenleving en onmiddellijke wereldwijde communicatie. Of het nu gaat om een telefoongesprek, sms of webopdracht, telecomapparatuur zorgt voor betrouwbare verbindingen. De voeding die achter de schermen actief is, is een essentieel onderdeel dat zelden wordt erkend.

Dit artikel richt zich op de Analog Devices MAX15258, die is ontworpen voor maximaal twee MOSFET-drivers en vier externe MOSFET's in enkelfasige of tweefasige boost/inverting-buck-boost-configuraties. Het is mogelijk om twee apparaten te combineren voor driefasige of vierfasige werking, waardoor een hoger uitgangsvermogen en hogere efficiëntie worden bereikt.

Voldoen aan de vraag naar meer stroom

De vraag naar stroom binnen de telecommunicatie-industrie is in de loop der tijd gegroeid, gedreven door ontwikkelingen in de technologie, toegenomen netwerkverkeer en de uitbreiding van de telecommunicatie-infrastructuur. De overgang van netwerken van de derde generatie (3G) naar netwerken van de vierde generatie (4G) en vijfde generatie (5G) heeft geleid tot geavanceerde en krachtige apparatuur.

De uitrol van 5G-technologie heeft een aanzienlijke impact gehad op de stroomvereisten van basisstations en celtorens. Basisstations, vooral die in stedelijke gebieden, hebben hogere vermogensniveaus nodig om het grotere aantal antennes en radio-eenheden te ondersteunen die nodig zijn voor massale MIMO-configuraties (Multiple Input, Multiple Output) en beamforming.

Redundantie is een andere cruciale factor. Voedingen moeten worden ontworpen met redundantie in gedachten, vaak inclusief back-up stroombronnen zoals batterijen of generatoren om ononderbroken werking te garanderen in geval van stroomuitval.

Vergeleken met vorige generaties draadloze netwerken brengt de inzet van 5G mobiele technologie verschillende veranderingen met zich mee voor wat betreft de vereisten voor voedingsapparaten. Als 5G zijn belofte van betrouwbare communicatie met hoge snelheid en lage latentie wil waarmaken, moet aan een aantal criteria worden voldaan.

Vereisten voor vermogensversterker

• Ondersteunt een breed spectrum aan frequentiebanden, waaronder sub-6 GHz en mmWave (millimetergolf) frequenties, die unieke uitdagingen bieden voor signaalvoortplanting.
• Geschikt voor grotere signaalbandbreedten en hogere vermogensniveaus, en lineaire versterking om vervorming van signalen met hoge datasnelheid te voorkomen.
• Efficiënt werken om stroomverbruik en warmteontwikkeling te minimaliseren, met name voor apparaten op batterijen en kleine cellen op afstand.
• Met een lichtgewicht, compacte vormfactor die in kleine behuizingen past, zoals kleine cellocaties en gebruikersapparatuur.
• Bevatten geavanceerde materialen en technologieën zoals halfgeleiderelementen gemaakt van Gallium Nitride (GaN) en Silicon Carbide (SiC) voor een hogere vermogensdichtheid, betere prestaties en hogere werkfrequenties.

Vereisten voor stroomomzetting

Om historische, praktische en technische redenen gebruiken telecomsystemen meestal een -48 _VDC voeding. In het geval van een storing in het elektriciteitsnet of een andere noodsituatie hebben telecommunicatienetwerken betrouwbare back-upstroombronnen nodig. Loodzuuraccu's worden vaak gebruikt voor reservevermogen en kunnen ook werken bij -48 _VDC. Het gebruik van dezelfde spanning voor zowel primaire als back-upstroom maakt het eenvoudiger om back-upsystemen te ontwerpen en te onderhouden. Bovendien zijn lagere spanningen zoals -48 _VDC veiliger voor personeel dat met telecomapparatuur werkt, waardoor het risico op elektrische schokken en letsel afneemt.

Voedingen voor telecommunicatieapparatuur moeten voldoen aan specifieke operationele vereisten om betrouwbaarheid en efficiëntie te garanderen. Hier zijn enkele belangrijke specificaties:

• Bereik ingangsspanning: De voeding moet ontworpen zijn om een breed ingangsspanningsbereik te verdragen.
• Spanningsregeling: De voeding moet een stabiele en geregelde uitgangsspanning leveren volgens de vereisten van de telecomapparatuur.
• Hoog rendement: Voedingen moeten zeer efficiënt zijn om stroomverlies en energieverbruik te beperken. Efficiënties van minstens 90% zijn gebruikelijk.
• Redundantie: Om een ononderbroken werking te garanderen, bevatten voedingen vaak redundantiefuncties zoals N+1 waarbij een extra voeding wordt gebruikt. Als de een faalt, kan de ander de last op zich nemen.
• Hot-swappable: In bedrijfskritische installaties moeten voedingen hot-swappable zijn, zodat de downtime tijdens vervanging of onderhoud minimaal is.
• Hoge betrouwbaarheid: De voeding moet uitgerust zijn met beschermingsmechanismen om schade door ongunstige bedrijfsomstandigheden, zoals overstroom, overspanning en kortsluiting, te voorkomen.

De actieve klem-voorwaartse omzetter

De active-clamp forward converter (ACFC) is een DC/DC-converterconfiguratie die vaak wordt gebruikt in voedingssystemen en die voornamelijk wordt gebruikt voor het omzetten van -48 _VDC naar positieve spanningsniveaus. De ACFC is een spanningsomzettingscircuit dat kenmerken van de voorwaartse omzetter en het actieve klemcircuit integreert om de efficiëntie te verbeteren. Deze technologie komt veel voor in voedingssystemen voor telecommunicatie en datacenterapparatuur.

Het centrale element van de ACFC is een transformator (Figuur 1). De hoofdwikkeling van de transformator ontvangt de ingangsspanning, wat resulteert in de inductie van een spanning in de secundaire wikkeling. De uitgangsspanning van de transformator wordt bepaald door de overbrengingsverhouding.

Het actieve klemcircuit, dat aanvullende halfgeleiderschakelaars en een condensator bevat, regelt de energie in de lekinductie van de transformator. Wanneer de primaire schakelaar is uitgeschakeld, wordt de energie die is opgeslagen in de lekinductantie omgeleid naar de klemcondensator, waardoor spanningspieken worden voorkomen. Deze praktijk vermindert de druk op de primaire schakelaar en verbetert de operationele effectiviteit. De spanning van de secundaire wikkeling van de transformator wordt gelijkgericht door een diode en de uitgangsspanning wordt afgevlakt door een uitgangsfiltercondensator. Tot slot werkt ACFC met zacht schakelen, wat betekent dat de schakelovergangen vloeiender zijn en minder ruis produceren. Dit resulteert in minder elektromagnetische interferentie (EMI) en lagere schakelverliezen.

Figuur 1: De ACFC-topologie. (Bron: Analog Devices)

Het ACFC-circuit vermindert spanningspieken en spanning op componenten, wat leidt tot een verbeterde efficiëntie, vooral bij hoge ingangs-/uitgangsspanningsverhoudingen. Bovendien kan hij een breed bereik aan ingangsspanningen aan, waardoor hij geschikt is voor telecom- en datacentertoepassingen met variërende ingangsspanningen.

Nadelen van het actieve klemcircuit zijn onder andere de volgende:

• Als de waarde niet tot een maximum wordt beperkt, kan een verhoogde inschakelduur leiden tot verzadiging van de transformator of tot extra spanningsbelasting op de hoofdschakelaar.
• ACFC is een enkeltraps DC-naar-DC-omzetter. Naarmate het vermogen toeneemt, zullen de voordelen van een meerfasig ontwerp voor energie-intensieve toepassingen zoals telecom toenemen.
• Een actief clamp forward ontwerp kan niet worden opgeschaald naar een hoger uitgangsvermogen met behoud van vergelijkbare prestaties.

De beperkingen van ACFC overwinnen

De MAX15258 van Analog Devices is een hoogspannings-multifase boost-controller met een digitale ^{I2C-interface}, ontworpen voor telecom- en industriële toepassingen. Het apparaat heeft een breed ingangsspanningsbereik van 8 V tot 76 V voor boost-configuratie en -8 V tot -76 V voor inverterende buck/boost-configuratie. Het uitgangsspanningsbereik, van 3,3 V tot 60 V, voldoet aan de vereisten van verschillende toepassingen, waaronder telecomapparatuur.

Een typische toepassing van dit veelzijdige IC is de voeding voor een 5G macrocell of femtocell uit figuur 2. De hot-swap functie wordt verzekerd door een negatieve voltage hot-swap controller, zoals ADI's ADM1073, gevoed door -48 _VDC. Dezelfde spanning voedt de MAX15258 buck/boost converter, die tot 800 W uitgangsvermogen kan leveren.

Figuur 2: Blokschema van een voedingstrap voor 5G-toepassingen. (Bron: Analog Devices)

De MAX15258 is ontworpen voor ondersteuning van maximaal twee MOSFET-drivers en vier externe MOSFET's in boost/inverting-buck-boost eenfasige of tweefasige configuraties. Het combineert ook twee apparaten voor driefasige of vierfasige werking. Hij heeft een interne FB-niveaushifter met hoge spanning voor differentiële detectie van de uitgangsspanning wanneer hij geconfigureerd is als een inverterende-buck-boost converter. Via een speciale referentie-ingang of via een digitale ^{I2C-interface}kan de uitgangsspanning dynamisch worden ingesteld.

Een externe weerstand kan worden gebruikt om de interne oscillator aan te passen, of de regelaar kan worden gesynchroniseerd met een externe klok om een constante schakelfrequentie te handhaven. Schakelfrequenties van 120 kHz tot 1 MHz worden ondersteund. De controller is ook beveiligd tegen overstroom, uitgangsoverspanning, ingangsonderspanning en thermische uitschakeling.

De weerstand op de OVP-pen geeft het aantal fasen naar de regelaar aan. Deze identificatie wordt gebruikt om te bepalen hoe de regelaar reageert op het meerfasige kloksignaal van de primaire fase. In een vierfasenomvormer worden de twee fasen van de MAX15258 regelaar of het doel 180° ten opzichte van elkaar verschoven, terwijl de faseverschuiving tussen de regelaar en het doel 90° is (afbeelding 3).

Figuur 3: Vierfasenconfiguratie - regelaar- en doelgolfvormen. (Bron: Analog Devices)

Bij meerfasige werking bewaakt de MAX15258 de laag-zij MOSFET-stroom voor actieve fasestroombalancering. Als feedback wordt de huidige onbalans toegepast op de cyclus-per-cyclus stroomdetectiecircuits om de belastingsstroom te helpen regelen. Dit zorgt voor een eerlijke verdeling tussen de twee fasen. In tegenstelling tot voorwaartse converterontwerpen hoeven ontwerpers bij gebruik van dit IC geen rekening te houden met een mogelijke fase-onbalans van 15% tot 20% tijdens de ontwerpberekeningsfasen.

Bij driefasige of vierfasige werking wordt de gemiddelde stroom per chip verzonden tussen de controller en de target via speciale differentiële verbindingen. De stroommodusregelaar en doelapparaten regelen hun respectieve stromen zodat alle fasen de belastingsstroom gelijk verdelen.

De quad-phase interleaved inverterende buck-boost voeding getoond in Figuur 4 is geschikt voor toepassingen die grote hoeveelheden vermogen vereisen. De CSIO+ en CSIO- signalen verbinden de twee controllers en de SYNC pinnen zijn verbonden om kloksynchronisatie te garanderen voor het fase interleaving schema met gecoördineerde fasen.

Figuur 4: Vierfasige inverterende buck-boost -48 _VIN naar +48 _VOUT 800 W voeding. (Bron: Analog Devices)

De MAX15258 is een laagfrequente boost converter. Dit vermindert de primaire bron van vermogensverlies-schakelverliezen van de converters. Omdat elke converter in zijn verliesarme gebied bij lage frequentie werkt, biedt dit een hoog uitgangsvermogen bij een hoge equivalente totale frequentie. Dit maakt het apparaat bij uitstek voor het omzetten van -48 _VDC.

Door te werken met een stabiele duty cycle wordt een hoog uitgangsvermogen verkregen met een extreem hoge efficiëntie. Figuur 5 toont de rendementscurves van een gekoppeld inductor-gebaseerd MAX15258 800 W referentieontwerp voor verschillende combinaties van _VIN en _VOUT. Als gevolg van de verminderde geleidingsverliezen tonen de plots duidelijk rendementscijfers van meer dan 98%.

Afbeelding 5: Efficiëntie vs. uitgangsbelastingstroom van een MAX15258 CL 800 W referentieontwerp. (Bron: Analog Devices)

Conclusie

Voedingen spelen een belangrijke rol in de telecommunicatie-industrie. Vanwege hun vermogen om een hoge efficiëntie te bereiken en vermogensverliezen te minimaliseren, zijn actieve clamp forward converters (ACFC's) favoriet in ontwerpen voor telecomvoeding. Inherente beperkingen kunnen hun doeltreffendheid in specifieke omstandigheden echter in de weg staan. Om de beperkingen van actieve clamp forward converters te overwinnen, is een nieuwe generatie voedingstechnologieën ontstaan die een verbeterde efficiëntie, hogere vermogensdichtheid en vereenvoudigde besturingsmechanismen bieden. In de telecomindustrie maken deze nieuwe oplossingen de weg vrij voor meer geavanceerde en geoptimaliseerde voedingen.