Sectorul telecomunicațiilor a devenit un factor important al societății moderne și al comunicațiilor globale în timp real. Fie că este vorba despre un apel telefonic, un mesaj text sau o comandă web, echipamentele de telecomunicații asigură conexiuni fiabile. Sursa de alimentare care operează “în spatele scenei” este o componentă esențială, dar rareori apreciată.
Articolul de față se concentrează asupra dispozitivului MAX15258 de la Analog Devices, care a fost proiectat pentru a găzdui până la două drivere MOSFET și patru MOSFET-uri externe în configurații monofazate sau bifazate de tip “boost/inverting-buck-boost” (crescător/inversor-coborâtor-crescător). Este posibilă combinarea a două dispozitive pentru o funcționare trifazică sau cvadrifazică, obținând niveluri de putere de ieșire și eficiență mai mari.
Îndeplinirea cerințelor de creștere a puterii
Cererea de putere în domeniul telecomunicațiilor a sporit de-a lungul timpului, datorită evoluției tehnologiei, traficului crescut în rețea și extinderii infrastructurii de telecomunicații. Tranziția de la rețelele de generația a treia (3G) la cele de generația a patra (4G) și a cincea (5G) a condus la echipamente performante și de mare putere.
Implementarea tehnologiei 5G a avut un impact semnificativ asupra cerințelor de putere ale stațiilor de bază și ale turnurilor de telefonie mobilă. 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 unități radio necesare pentru configurațiile MIMO (Multiple Input, Multiple Output) masive și pentru formarea de fascicule (beamforming).
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 operare continuă în cazul întreruperilor de curent.
În comparație cu generațiile anterioare de rețele wireless, implementarea tehnologiei mobile 5G aduce 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 abordate anumite criterii.
Cerințe privind amplificatorul de putere
- Să suporte un spectru larg de benzi de frecvență, inclusiv frecvențe sub 6 GHz și mmWave (unde milimetrice), acestea prezentând provocări deosebite pentru propagarea semnalului.
- Să accepte lățimi de bandă mai mari ale semnalului și niveluri de putere mai ridicate, precum și să asigure o amplificare liniară pentru a preveni distorsionarea semnalelor cu debit mare de date.
- Să funcționeze eficient pentru a minimiza consumul de energie și generarea de căldură, în special pentru dispozitivele alimentate de la baterii și pentru celulele mici aflate la distanță.
- Să includă un factor de formă ușor și compact, care se poate integra în incinte mici, cum ar fi site-urile de celule mici și echipamentele utilizatorilor.
- Să încorporeze materiale și tehnologii avansate, cum ar fi dispozitive semiconductoare GaN (nitrură de galiu) și SiC (carbură de siliciu), pentru a asigura o densitate de putere sporită, performanțe îmbunătățite și frecvențe de operare mai mari.
Cerințe de conversie a puterii
Din considerente de ordin istoric, practic și tehnic, sistemele de telecomunicații utilizează, de obicei, o sursă de alimentare de -48 VDC. În cazul unei defecțiuni a rețelei sau al unei alte situații de urgență, rețelele de telecomunicații necesită surse de alimentare de rezervă fiabile. Utilizate frecvent ca surse de putere de rezervă, bateriile plumb-acid pot funcționa, la rândul lor, la -48 VDC. Folosind aceeași tensiune atât pentru alimentarea primară, cât și pentru cea de rezervă, este mai ușor de proiectat și de întreținut sistemele de rezervă. În plus, tensiunile mai mici, cum ar fi cea de -48 VDC, 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 de tensiuni de intrare: Sursa de alimentare trebuie să fie proiectată pentru a tolera o gamă largă de tensiuni de intrare.
- Stabilizarea tensiunii: Sursa de alimentare trebuie să asigure o tensiune de ieșire stabilă și regulată conform cerințelor echipamentului de telecomunicații.
- Eficiență înaltă: Sursele de alimentare trebuie să fie foarte eficiente pentru a reduce pierderile de putere și consumul de energie. O eficiență de cel puțin 90% este tipică.
- Redundanță: Pentru a asigura o operare neîntreruptă, sursele de alimentare includ frecvent caracteristici de redundanță, cum ar fi N+1, atunci când se utilizează o sursă de alimentare suplimentară. Dacă una dintre ele cedează, cealaltă poate prelua sarcina.
- Înlocuire în timpul funcționării (hot-swappable): În cazul instalațiilor critice, sursele de alimentare trebuie să poată fi înlocuite în timpul funcționării, asigurând un timp minim de întrerupere în cazul 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 exploatare nefavorabile, cum ar fi supracurentul, supratensiunea și scurtcircuitele.
Convertorul ACFC (Active Clamp Forward Converter)
Convertorul ACFC este o configurație de convertor DC/DC utilizată frecvent în sistemele de alimentare și este folosit, în primul rând, pentru a converti tensiunea de -48 VDC în niveluri de tensiune pozitivă. ACFC este un circuit de conversie a tensiunii care integrează caracteristicile convertorului direct (forward converter) și ale circuitului “active-clamp” pentru a spori eficiența. Această tehnologie este răspândită în sistemele de alimentare pentru telecomunicații și în centrele de date.
Elementul central al ACFC este un transformator (Figura 1). Înfășurarea primară a transformatorului primește tensiunea de intrare, ceea ce înseamnă inducerea unei tensiuni în înfășurarea secundară. Tensiunea de ieșire a transformatorului este determinată de raportul de transformare al acestuia.
Circuitul “active-clamp”, care încorporează switch-uri semiconductoare suplimentare și un capacitor, reglează și guvernează energia conținută în inductanța de dispersie magnetică a transformatorului. Atunci când switch-ul primar este oprit, energia stocată în inductanța de dispersie este redirecționată către capacitorul “clamp” utilizat pentru a proteja componentele împotriva supratensiunilor sau a vârfurilor de tensiune. Această practică atenuează 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 capacitor de filtrare de ieșire. În sfârșit, ACFC operează cu comutare soft, ceea ce înseamnă că tranzițiile la 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. (Sursă imagine: Analog Devices)
Circuitul ACFC reduce vârfurile de tensiune și solicitările asupra componentelor, rezultând o eficiență îmbunătățită, în special la rapoarte mari de tensiune între intrare și 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 “active clamp” includ următoarele:
- Dacă nu este limitat la o valoare maximă, un ciclu de lucru crescut (cu alte cuvinte, o funcționare continuă sau aproape continuă) poate duce la saturarea transformatorului sau la o tensiune suplimentară aplicată switch-ului principal, necesitând dimensionarea precisă a capacitorului “clamp”.
- ACFC este un convertor DC-DC cu un singur etaj. Pe măsură ce nivelul de putere crește, avantajele unui design multifazic pentru aplicațiile cu putere intensivă, cum ar fi telecomunicațiile, vor crește.
- Un design de tip “active clamp forward” 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 boost (crescător) multifazat de înaltă tensiune cu interfață digitală I2C proiectat pentru aplicații de telecomunicații și industriale. Dispozitivul dispune de o gamă largă de tensiuni de intrare de la 8V la 76V pentru configurația “boost” și de la -8V la -76V pentru configurația “buck/boost” cu inversare a polarității. Gama de tensiuni de ieșire, de la 3,3V la 60V, 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 înlocuire în stare de funcționare este asigurată de un controler “hot-swap” cu tensiune negativă, cum ar fi ADM1073, de la ADI, alimentat de la -48 VDC. Aceeași tensiune alimentează convertorul “buck/boost” MAX15258, care este capabil să furnizeze o putere de ieșire de până la 800W.
Figura 2: Schema bloc a unui etaj de alimentare pentru aplicații 5G. (Sursă imagine: Analog Devices)
MAX15258 a fost proiectat pentru a suporta până la două drivere MOSFET și patru MOSFET-uri externe în configurații “boost/inverting-buck-boost” monofazate sau bifazate. De asemenea, combină două dispozitive pentru o funcționare trifazică sau cvadrifazică. Acesta include un schimbător de nivel de tensiune FB pentru detectarea tensiunii de ieșire de mod diferențial atunci când este configurat ca un convertor “buck-boost” inversor. 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 ajusta 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. Regulatorul este, de asemenea, protejat împotriva supracurentului, supratensiunii de ieșire, subtensiunii de intrare și opririi din motive termice.
Rezistorul de la pinul OVP desemnează numărul de faze la controler. Această identificare este utilizată pentru a determina modul în care răspunde controlerul 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. (Sursă imagine: Analog Devices)
În cazul funcționării multifazate, MAX15258 monitorizează curentul prin zona “low-side” a MOSFET-ului pentru echilibrarea activă a curentului de fază. Ca reacție, dezechilibrul de curent este aplicat la circuitul de detectare a curentului pentru fiecare ciclu pentru a contribui la ajustarea curentului de sarcină. Procedând astfel, se asigură o distribuție echilibrată între cele două faze. În comparație cu proiectele bazate pe convertoare “forward”, proiectanții nu trebuie să țină cont de 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 operării 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 ajustează curenții respectivi astfel încât toate fazele să împartă, în mod echitabil, curentul de sarcină.
Figura 4: Sursă de alimentare “buck-boost” cu patru faze, -48 VIN la +48 VOUT de 800W. (Sursă imagine: Analog Devices)
Sursa de alimentare de tip “inverting buck-boost” 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.
MAX15258 este un convertor “boost” de joasă frecvență. Acest lucru reduce sursa principală de pierderi de putere a convertoarelor – pierderile de comutare. Deoarece fiecare convertor operează în zona sa cu pierderi reduse la frecvență joasă, acest lucru oferă o putere de ieșire ridicată la o frecvență totală echivalentă ridicată. Acest lucru îl face să fie dispozitivul de referință pentru conversia de -48 VDC.
Operând cu un ciclu de funcționare stabil, acesta obține o putere de ieșire ridicată cu o eficiență extrem de mare. Figura 5 prezintă curbele de eficiență ale unui proiect de referință de 800 W bazat pe un dispozitiv MAX15258 cuplat prin inductor, pentru diferite combinații de VIN și VOUT. Ca urmare a pierderilor de conducție reduse, graficele arată clar cifre de eficiență de peste 98%.
Figura 5: Eficiența în funcție de curentul de sarcină de ieșire pentru un proiect de referință de 800W bazat pe MAX15258 CL. (Sursă imagine: Analog Devices)
Concluzie
Sursele de alimentare joacă un rol important în industria telecomunicațiilor. Datorită abilității lor de a atinge un randament ridicat și de a minimiza pierderile de putere, convertoarele ACFC (Active Clamp Forward Converters) sunt preferate în proiectele de surse de alimentare din domeniul telecomunicațiilor. Totuși, limitările inerente pot împiedica eficacitatea lor în anumite circumstanțe. Pentru a depăși aceste deficiențe, a apărut o nouă generație de tehnologii de alimentare, care oferă o 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 evoluate și mai optimizate.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de DigiKey, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
DigiKey | https://www.digikey.ro
