Nagy hatásfok megvalósítása távközlési infrastruktúrák tápegységeinél

A távközlési ágazat a modern társadalom és az azonnali globális kommunikáció fontos elemévé vált. Legyen szó telefonhívásról, szöveges üzenetről vagy internetes parancsról, a távközlési berendezések azok, amelyek biztosítják a megbízható kapcsolatot. Érdekes viszont, hogy a színfalak mögötti áramellátást biztosító tápegységek alapvető fontosságú komponensek, amelyeket ennek ellenére mégis nagyon ritkán emlegetnek.

Ez a cikk az Analog Devices MAX15258 integrált áramkörével foglalkozik, amely akár két MOSFET-vezérlő valamint egyfázisú vagy kétfázisú feszültségnövelő illetve invertáló feszültségcsökkentő-feszültségnövelő konfigurációba kapcsolt négy külső MOSFET vezérlésére alkalmas. Két ilyen eszköz kombinálásával három- vagy négyfázisú működésre is lehetőség van, a nagyobb kimeneti teljesítmények és hatásfokok eléréséhez.

A megnövekedett energiaigény kielégítése

A technológiai fejlődés, a megnövekedett hálózati forgalom és a távközlési infrastruktúra bővülése következtében a távközlési ipar energiaigénye az idők során megnövekedett. A harmadik generációs (3G) hálózatokról a negyedik (4G) majd az ötödik generációs (5G) hálózatokra való áttérés fejlett és nagy teljesítményű berendezések megépítését hozta magával.

Az 5G technológia bevezetése jelentős hatással volt a bázisállomások és a mobiltornyok energiaigényére. A bázisállomásoknak – különösen a városi területeken lévőknek – nagyobb teljesítményszintekre van szükségük a masszív MIMO (Multiple Input, Multiple Output) konfigurációkhoz és a nyalábformáláshoz szükséges megnövekedett számú antenna és rádióegység kiszolgálásához.

A redundancia egy másik kulcsfontosságú tényező. A tápegységeket úgy kell megtervezni, hogy közben szem előtt kell tartani a redundanciát, ami azt jelenti, hogy a kialakításnak gyakran tartalék áramforrásokat, például akkumulátorokat vagy generátorokat is kell tartalmaznia, hogy áramkimaradás esetén is biztosítható legyen a megszakítás nélküli működés.

A vezeték nélküli hálózatok korábbi generációihoz képest az 5G mobiltechnológia bevezetése számos változást hoz a tápegységekre vonatkozó követelményekben. Ahhoz, hogy az 5G beváltsa a megbízható, nagy sebességű és alacsony késleltetésű kommunikációra vonatkozó ígéretét, van néhány kritérium, amelyeknek meg kell felelnie.

Teljesítményerősítési követelmények

• Frekvenciasávok széles spektrumát szükséges támogatni, beleértve a 6 GHz alatti és mmWave (milliméterhullám) nagyságrendű frekvenciákat, amelyeknél a tervezőknek sajátos jelterjedési problémák okoznak gondot.
• Szélesebb jelsávszélességekkel és nagyobb teljesítményszintekkel kell kompatibilisnek lenni, valamint lineáris erősítést kell biztosítani a nagy adatátviteli sebességű jeleknél fellépő torzítás elkerüléséhez.
• Hatékony működést szükséges biztosítani az energiafogyasztás és a hőtermelés minimalizálásához, különösen az akkumulátorral működő eszközök és a távoli kis cellák esetében.
• Könnyű, kompakt méretformátumú, kisméretű burkolatokban, például kis cellaközpontokban és felhasználói berendezésekben elférő eszközökre van szükség.
• Korszerű anyagok és technológiák, például gallium-nitridből (GaN) és szilícium-karbidból (SiC) készült félvezető alkatrészeket szükséges használni a nagyobb teljesítménysűrűség, nagyobb teljesítmény és a szélesebb működési frekvenciatartomány biztosításához.

Teljesítményátalakítási követelmények

Történeti, gyakorlati és műszaki okai vannak annak, hogy a távközlési rendszerek általában -48 V_DC egyenfeszültséget biztosító tápegységgel működnek. Hálózati meghibásodás vagy más vészhelyzet esetén a távközlési hálózatoknak megbízható tartalék áramforrásokra van szükségük. Az általában tartalék energiaforrásként használt savas ólomakkumulátorok szintén képesek a -48 _V egyenfeszültség biztosítására. Ha az áram előállítása a normál és a vészhelyzeti tartalék üzemmódban is azonos feszültséggel történik, az megkönnyíti a tartalékrendszerek tervezését és karbantartását. Emellett az alacsonyabb villamos feszültségek, mint például amilyen a -48 V_DC, biztonságosabbak a távközlési berendezéseken dolgozó személyzet számára, csökkentve az áramütések és a sérülések veszélyét.

A távközlési berendezések tápegységeinél megbízhatósági, és a megfelelő hatásfok biztosításához különleges működési követelményeknek kell megfelelni. Íme néhány fontos specifikáció:

• Bemeneti feszültségtartomány - A tápegységet úgy kell megtervezni, hogy széles bemeneti feszültségtartományt támogasson.
• Feszültségszabályozás - A tápegységnek stabil és szabályozott kimeneti feszültséget kell biztosítania a távközlési berendezés követelményeinek megfelelően.
• Nagy hatásfok - A tápegységeknek nagy hatásfokúaknak kell lenniük a teljesítményveszteség és az energiafogyasztás csökkentéséhez. A hatásfokok jellemzően legalább 90%-on felüliek.
• Redundancia - A megszakítás nélküli működés biztosítása érdekében a tápegységek gyakran tartalmaznak redundanciafunkciókat, mint amilyen például az N+1, amelynél a konfigurációk egy további tápegységet is tartalmaznak. Ha az egyikük meghibásodik, a másik át tudja venni a szerepét.
• Működés közbeni cserélhetőség (hot swap) - A kritikus fontosságú berendezésekben a tápegységeknek üzem közben is cserélhetőnek kell lenniük, biztosítva a minimális leállási időt az alkatrészek cseréje vagy karbantartási műveletek során.
• Nagy megbízhatóság - A tápegységet védelmi mechanizmusokkal kell ellátni a kedvezőtlen üzemi körülmények, például túláram, túlfeszültség és rövidzárlat okozta károk elkerüléséhez.

Az aktív amplitúdókorlátozó nyitóüzemű konverter

Az aktív amplitúdókorlátozó nyitóüzemű konverter (Active Clamp Forward Converter, ACFC) a tápegységkben előszeretettel alkalmazott egyenáram-átalakító áramkör, melyet elsősorban a -48 V_DC egyenfeszültség pozitív feszültségszintekké történő átalakítására használnak. Az ACFC egy olyan feszültségátalakító áramkör, amelynél a hatásfok növelését a nyitóüzemű konverter és az aktív amplitúdókorlátozó áramkör jellemzőinek kombinálásával érik el. Ez egy elterjed technológiai megoldás a távközlési és adatközponti készülékek tápellátó rendszereiben.

Az ACFC központi eleme egy transzformátor (1. ábra). A bemeneti feszültség a transzformátor primer tekercsére van kapcsolva, aminek következtében a szekunder tekercsben feszültség indukálódik. A transzformátor kimeneti feszültsége a menetszámaránytól függ.

A kiegészítő félvezető kapcsolókat és egy kondenzátort tartalmazó aktív amplitúdókorlátozó áramkör szabályozza a transzformátor szórt induktivitás formájában tárolt energiáját. Amikor a primer kapcsoló ki van kapcsolva, a szórt induktivitási energia a korlátozó kondenzátorba kerül, így akadályozva meg a feszültségcsúcsokat. Ez a módszer enyhíti a primer kapcsoló terheltségét és növeli a működési hatékonyságot. A transzformátor szekunder tekercséből származó feszültséget egy dióda egyenirányítja, a kimeneti feszültséget pedig egy kimeneti szűrőkondenzátor simítja. Végezetül, az ACFC működése lágykapcsolású, ami azt jelenti, hogy a kapcsolási átmenetek simábbak, kevesebb generált zajjal. Ez az elektromágneses interferencia (EMI) és a kapcsolási veszteségek csökkenésével jár.

1. ábra: Az ACFC kapcsolási rajza (kép: Analog Devices)

Az ACFC áramkör csillapítja a feszültségcsúcsokat, csökkentve az alkatrészek terheltségét, aminek eredményeként javul a hatásfok, különösen nagy bemenet-kimenet feszültségarány esetén. Ezenkívül széles bemeneti feszültségtartományt képes kezelni, így a változó bemeneti feszültségű távközlési és adatközponti áramköröknél alkalmazható.

Az aktív amplitúdókorlátozó áramkör hátrányai többek között a következők:

• Ha nincs egy meghatározott maximális érték, a megnövelt munkaciklus miatt bekövetkezhet a transzformátor telítődése vagy a főkapcsoló hosszabb ideig való terhelése feszültséggel, és emiatt a korlátozó áramkör kondenzátorának értékét pontosan meg kell választani.
• Az ACFC egy egyfokozatú egyenáram-átalakító. A teljesítményszint növekedésével a többfázisú kialakítás előnyei nyilvánvalóbbak lesznek a teljesítményigényes alkalmazásoknál, például a távközlésnél.
• Egy aktív nyitóüzemű amplitúdókorlátozó áramkör nem méretezhető át nagyobb kimeneti teljesítményre úgy, hogy fenntartsa a működési teljesítményét.

Az ACFC áramkörök korlátainak kiküszöbölése

Az Analog Devices MAX15258 jelű IC-je egy I²C digitális interfésszel rendelkező, távközlési és ipari áramkörökhöz tervezett nagyfeszültségű, többfázisú feszültségnövelő vezérlő. Az eszköz széles bemeneti feszültségtartományt kínál: 8 V és 76 V közöttit a feszültségnövelő konfiguráció esetén, illetve -8 V és -76 V közöttit az invertáló feszültségcsökkentő-feszültségnövelő konfigurációnál. A 3,3 V – 60 V közötti kimeneti feszültségtartomány különböző alkalmazási esetek követelményeit kielégíti, köztük a távközlési eszközökét is.

Ennek a sokoldalú IC-nek egy tipikus felhasználása, egy 5G makrocella vagy femtocella tápellátásának biztosítása látható a 2. ábrán. Az üzem közbeni cserélhetőséget (hot-swap funkciót) egy negatív feszültségű hot-swap vezérlő biztosítja, például az ADI -48 V_DC feszültséggel működő ADM1073 jelű IC-je. Ugyanez a feszültség táplálja a MAX15258 feszültségcsökkentő-feszültségnövelő átalakítót, amely akár 800 W kimeneti teljesítményt is képes biztosítani.

2. ábra: Az 5G technológiás rendszerekhez készült tápellátás-fokozat blokkdiagramja (kép: Analog Devices)

A MAX15258 úgy van kialakítva, hogy akár két MOSFET-vezérlőt és négy külső MOSFET-et is támogatni tudjon feszültségnövelő illetve invertáló feszültségcsökkentő-feszültségnövelő egyfázisú vagy kétfázisú konfigurációban. A három- vagy négyfázisú működéshez két ilyen eszköz kombinálható. Egy belső nagyfeszültségű visszacsatolásos szinteltolóval rendelkezik a kimeneti feszültség differenciális érzékeléséhez, ha invertáló feszültségcsökkentő-feszültségnövelő átalakítóként van konfigurálva. A kimeneti feszültség dinamikusan állítható egy dedikált referencia bemeneti lábon vagy egy digitális I²C interfészen keresztül.

A belső oszcillátor egy külső ellenállással állítható, vagy a szabályozó egy külső órával is szinkronizálható a fix kapcsolási frekvencia fenntartásához. A 120 kHz és 1 MHz közötti kapcsolási frekvenciák támogatottak. A vezérlő túláram, kimeneti túlfeszültség és bemeneti feszültséghiány ellen védett, valamint kikapcsol túlmelegedéskor.

Az OVP-lábnál lévő ellenállás határozza meg a vezérlő fázisainak számát. Ez az azonosítás annak meghatározására szolgál, hogy a vezérlő hogyan reagáljon az elsődleges fázis többfázisú órajelére. Egy négyfázisú átalakítónál a MAX15258 vezérlő és az alárendelt IC (target) esetében a két fázis 180°-kal van eltolva egymástól, míg a vezérlő és az alárendelt IC közötti fáziseltolódás 90° (3. ábra).

3. ábra: A vezérlő és az alárendelt (target) IC jelalakjai négyfázisú konfigurációban (kép: Analog Devices)

Többfázisú üzem esetén a MAX15258 figyeli a negatív oldali kapcsolású MOSFET áramát az aktív fázisáram-kiegyenlítéshez. Visszacsatolásként a különbözeti áramot a ciklikusan figyelő áramérzékelő áramkörre vezetik a terhelési áram szabályozásához. Ez biztosítja a két fázis közötti egyenlő elosztást. A nyitóüzemű kialakítású konverterekkel ellentétben, ha a tervezők ezt az IC-t használják, akkor tervezéskor a számítási fázisokban nem kell foglalkozniuk az előbbinél lehetséges 15-20%-os fáziskiegyenlítetlenséggel.

Háromfázisú vagy négyfázisú működés esetén a chipenkénti átlagos áram a vezérlő és a szolga között dedikált differenciális kapcsolatokon keresztül továbbítódik. A vezérlő IC és az alárendelt eszköz úgy szabályozzák a saját áramaikat, hogy a terhelőáram minden fázisban egyenletes legyen.

A 4. ábrán látható négyfázisú, egymásba ágyazott invertáló feszültségcsökkentő-feszültségnövelő tápegység nagy áramigényű rendszerekhez alkalmas. A CSIO+ és CSIO- jelek kötik össze a két vezérlőt, a SYNC lábak pedig azért vannak összekötve, hogy biztosítsák az órajelek szinkronizáltságát a fázisok összehangolásához.

4. ábra: Négyfázisú invertáló feszültségcsökkentő-feszültségnövelő -48 V_IN ... +48 V_OUT közötti feszültségű 800 W-os tápegység (kép: Analog Devices)

A MAX15258 egy alacsony frekvenciájú feszültségnövelő átalakító. Ennek köszönhetően az átalakítókra jellemző elsődleges veszteségek (a kapcsolási veszteségek) alacsonyak maradnak. Mivel minden átalakító alacsony frekvencián, a saját alacsony veszteségű területén működik, ez nagy kimenő teljesítményt biztosít magas egyenértékű összesített frekvencia esetén. Ez teszi ezt az IC-t olyan eszközzé, amihez legelőször érdemes nyúlni, ha -48 V_DC átalakításáról van szó.

Stabil munkaciklusának köszönhetően nagy kimenő teljesítményt ér el rendkívül magas hatásfokkal. Az 5. ábrán egy MAX15258-at tartalmazó induktív csatolású 800 W-os referencia kialakítás hatásfok-görbéi láthatók különböző bemeneti (V_IN) és kimeneti (V_OUT) feszültségkombinációk esetén. A csökkentett vezetési veszteségeknek köszönhetően a 98% feletti hatásfok a grafikonokból egyértelműen látható.

5. ábra: Az Analog Devices MAX15258 CL 800 W-os referenciatervére jellemző hatásfokok a kimeneti terhelőáram függvényében (kép: Analog Devices)

Összegzés

A tápegységek fontos szerepet játszanak a távközlési iparban. Távközlési infrastruktúrák tápegységeinek tervezésekor a nagy hatásfokuk és a teljesítményveszteségek minimalizálására való képességük miatt az aktív amplitúdókorlátozó nyitóüzemű konverterek (ACFC-k) használatát részesítik előnyben. Kialakításukból eredő korlátaik miatt azonban a hatékonyságuk bizonyos esetekben nem elfogadható. Az aktív amplitúdókorlátozó nyitóüzemű konverterek korlátainak leküzdésére új generációs tápegység-technológiák jelentek meg, amelyek nagyobb hatásfokot, nagyobb teljesítménysűrűséget és egyszerűsített vezérlést kínálnak. Ezek az újszerű megoldások megnyitják az utat a távközlési iparon belül a fejlettebb és optimalizált tápegységek használata előtt.