Spotřeba energie v telekomunikačním průmyslu stále roste. Je to způsobeno rozvojem technologií, zvýšeným síťovým provozem a expanzí telekomunikační infrastruktury. Přechod ze sítí třetí generace (3G) na sítě čtvrté generace (4G) a páté generace (5G) vede k použití vysoce výkonných zařízení. Nasazení technologie 5G mělo významný dopad na požadavky napájení základnových stanic. Základnové stanice, zejména ty v městských oblastech, vyžadují vyšší výkon, aby zvládly vyšší počet antén a rádiových jednotek potřebných pro MIMO komunikaci (Multiple Input, Multiple Output) a tvarování paprsku neboli beam forming.

Dalším zásadním faktorem, který ovlivňuje složitost napájení pro telekomunikační sektor, je redundance. Napájecí zdroje musí být navrženy tak, aby byly provozuschopné za každé situace. To vyžaduje použití záložních zdrojů energie jako jsou baterie nebo generátory, aby byl zajištěn nepřerušovaný provoz v případě výpadků proudu. Ve srovnání s předchozími generacemi bezdrátových sítí přináší nasazení mobilní technologie 5G několik změn v požadavcích na napájecí zařízení. Aby 5G splnilo svůj slib spolehlivé, vysokorychlostní komunikace a komunikace s nízkou latencí, musí být splněny některé požadavky.

Požadavky na výkonový zesilovač

• Podpora širokého spektra frekvenčního pásma, včetně frekvencí nižších než 6 GHz a mmWave
• Přizpůsobení větší šířce pásma signálu a vyšší úrovní výkonu, stejně jako poskytování lineárního zesílení, aby se zabránilo zkreslení signálů při vysokých přenosových rychlostí
• Efektivní provoz, aby se minimalizovala spotřeba energie a tvorba tepla, zejména u zařízení napájených bateriemi
• Lehký a kompaktní tvar, který se vejde do malých prostor
• Využití pokročilých materiálů a technologií jako jsou součástky z nitridu galia (GaN) a karbidu křemíku (SiC), aby se zajistila zvýšená hustota výkonu, vyšší výkon, vyšší provozní frekvence a vyšší účinnost

Požadavky na přeměnu energie

Z historických, praktických a technických důvodů používají telekomunikační systémy obvykle napájecí zdroj - 48 V_DC. V případě poruchy sítě nebo jiné nouzové situace vyžadují telekomunikační sítě spolehlivé záložní zdroje energie. Olověné baterie, běžně používané pro zálohu napájení, mohou také pracovat při -48 V_DC. Použití stejného napětí pro primární i záložní napájení usnadňuje navrhování a údržbu záložních systémů. Kromě toho jsou nižší napětí jako je - 48 V_DC, bezpečnější pro personál pracující s telekomunikačním zařízením a snižují riziko úrazu elektrickým proudem a zranění. Napájecí zdroje pro telekomunikační zařízení musí splňovat specifické provozní požadavky, aby byla zajištěna spolehlivost a účinnost. Zde jsou některé důležité vlastnosti:

• Rozsah vstupního napětí: Napájecí zdroj by měl být navržen tak, aby toleroval široký rozsah vstupního napětí
• Regulace napětí: Napájecí zdroj musí poskytovat stabilní a regulované výstupní napětí podle požadavků telekomunikačního zařízení
• Vysoká účinnost: Napájecí zdroje by měly být vysoce účinné, aby se snížily ztráty energie a spotřeba energie. Typická účinnost je alespoň 90 %
• Redundance: Aby byl zajištěn nepřetržitý provoz, napájecí zdroje často obsahují redundanci N+1, kde se používá přídavný napájecí zdroj. Pokud jeden selže, může břemeno převzít druhý
• Hot-swap: V kriticky důležitých instalacích by měly být napájecí zdroje vyměnitelné za provozu, čímž se zajistí minimální prostoje během výměny nebo údržby
• Vysoká spolehlivost: Napájecí zdroj by měl být vybaven ochrannými mechanismy k odvrácení poškození způsobeného nepříznivými provozními podmínkami jako je nadproud, přepětí či zkrat.

ACFC – Active Clamp Forward Converter

ACFC je konfigurace DC/DC převodníku běžná v napájecích systémech a primárně se používá pro převod -48 V_DC na kladnou napěťovou úroveň. Tato technologie převládá v systémech napájení pro telekomunikační zařízení a zařízení datových center. Stěžejním prvkem ACFC je transformátor (obrázek 1). Výstupní napětí transformátoru je určeno jeho transformačním poměrem.

ACFC obsahuje doplňkové polovodičové spínače a kondenzátor a řídí energii obsaženou uvnitř indukčnosti transformátoru. Když je primární spínač vypnutý, energie uložená ve svodové indukčnosti (leakage inductance) je přesměrována na upínací kondenzátor (clamp capacitor), čímž se zabrání napěťovým špičkám. Tento postup snižuje zatížení primárního spínače a zvyšuje účinnost. Napětí ze sekundárního vinutí transformátoru je usměrněno diodou a výstupní napětí je vyhlazeno výstupním filtračním kondenzátorem. ACFC pracuje s „měkkým“ přepínáním. To znamená, že spínací přechody jsou hladší a produkují méně rušení.

Obrázek 1: Topologie ACFC. (Zdroj: Analog Devices)

Obvod ACFC snižuje napěťové špičky a namáhání komponent, a to vede ke zvýšení účinnosti, zejména při vysokých poměrech vstupního a výstupního napětí. Navíc dokáže pracovat při širokém rozsahu vstupních napětí. Proto je vhodný pro aplikace v telekomunikacích a datových centrech, ke se vyskytuje proměnlivé vstupní napětí.

Nevýhody ACFC jsou následující:

• Pokud není omezena maximální hodnota napětí, může dojít k saturaci transformátoru nebo dodatečnému napěťovému namáhání hlavního spínače. Proto je nutné přesně vypočítat hodnotu upínacího kondenzátoru
• ACFC design nelze škálovat na vyšší výstupní výkon a zachovat podobný design

Překonávání limitů ACFC

MAX15258 od Analog Devices je vysokonapěťový vícefázový regulátor zesílení s digitálním rozhraním I²C určený pro telekomunikační a průmyslové aplikace. Regulátor se vyznačuje širokým rozsahem vstupního napětí 8 V až 76 V pro konfiguraci boost a -8 V až -76 V pro konfiguraci invertující buck/boost. Rozsah výstupního napětí lze nastavit od 3,3 V do 60 V. Typickou aplikací tohoto univerzálního integrovaného obvodu je napájecí zdroj pro 5G makrobuňku nebo femtobuňku zobrazenou na obrázku 2. Funkce hot-swap je zajištěna záporným napětím řadiče ADM1073 napájeným -48 V_DC. Stejné napětí napájí převodník MAX15258 buck/boost, který je schopen poskytnout výkon až 800 W.

Obrázek 2: Blokové schéma napájecího stupně pro 5G aplikace. (Zdroj: Analog Devices)

MAX15258 je navržen tak, aby podporoval až dva MOSFET drivery a čtyři externí MOSFET tranzistory v jednofázové nebo dvoufázové konfiguraci boost/inverting buck boost. Je možné jej použít pro třífázový nebo čtyřfázový provoz. Má vnitřní vysokonapěťový měnič úrovně FB pro diferenciální snímání výstupního napětí, když je nakonfigurován jako invertující-buck-boost převodník. Přes referenční vstupní pin nebo přes digitální rozhraní I²C lze výstupní napětí dynamicky nastavovat. K nastavení vnitřního oscilátoru lze použít externí rezistor nebo lze regulátor synchronizovat s externími hodinami pro udržení konstantní spínací frekvence. Podporovány jsou spínací frekvence od 120 kHz do 1 MHz. Regulátor obsahuje ochranu vůči nadproudu, výstupnímu přepětí, vstupnímu podpětí a také tepelnou ochranu. Rezistor na pinu OVP určuje počet fází regulátoru. Tato identifikace se používá k určení, jak regulátor reaguje na vícefázový hodinový signál primární fáze (obrázek 3).

Obrázek 3: Čtyřfázová konfigurace – průběhy regulátoru (controller) a výstupu (target). (Zdroj: Analog Devices)

Ve vícefázovém provozu MAX15258 monitoruje proud MOSFET tranzistoru na spodní straně pro vyvážení aktivního fázového proudu. Jako zpětná vazba je proudová nevyváženost aplikována na obvody snímání proudu, aby pomohla regulovat proud zátěže. Tím je zajištěno spravedlivé rozdělení mezi dvě fáze. Na rozdíl od návrhů ACFC nemusí konstruktéři počítat s možnou 15 % až 20 % fázovou nevyvážeností. V třífázovém nebo čtyřfázovém provozu je průměrný proud na čip přenášen mezi řídicí jednotkou a cílem prostřednictvím vyhrazených diferenciálních spojení. Regulátor proudového režimu a cílová zařízení regulují své příslušné proudy tak, aby všechny fáze rovnoměrně sdílely zátěžový proud.

Čtyřfázový invertující buck-boost napájecí zdroj zobrazený na obrázku 4 je vhodný pro aplikace vyžadující velké množství energie. Signály CSIO+ a CSIO- jsou připojeny na dva drivery a piny SYNC jsou připojeny k zajištění synchronizace hodin.

Obrázek 4: Čtyřfázový invertující buck-boost -48 V_IN až +48 V_OUT napájecí zdroj s výkonem až 800 W. (Zdroj: Analog Devices)

MAX15258 je nízkofrekvenční boost konvertor a je vhodný pro převod napětí -48 V_DC na kladné úrovně. Pracuje se stabilním pracovním cyklem a nabízí vysoký výstupní výkon s extrémně vysokou účinností. Obrázek 5 ukazuje křivky účinnosti referenčního návrhu MAX15258 založeného na vázaných induktorech pro různé kombinace V_IN a V_OUT. Grafy jasně zobrazují hodnoty účinnosti vyšší než 98 %.

Obrázek 5: Účinnost vs výstupní zátěžový proud referenční konstrukce MAX15258 CL 800 W. (Zdroj: Analog Devices)

Závěr

Napájecí zdroje hrají v telekomunikačním průmyslu důležitou roli. Díky své schopnosti dosahovat vysoké účinnosti a snižovat ztráty energie jsou ACFC převodníky upřednostňovány v návrzích pro telekomunikační napájecí zdroje. Existují však omezení, které za určitých okolností snižují jejich účinnosti. K překonání těchto omezení je tu nová technologie napájecích zdrojů, které přináší vyšší účinnost, zvýšenou hustotu výkonu a jejich řízení není složité.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com