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Come realizzare un alimentatore a 48 V per il 5G

da | 18 Apr, 24 | Elettronica di potenza |

La richiesta di dati mobili sta crescendo a un ritmo vertiginoso, con il continuo emergere di nuovi mercati e applicazioni. Non ci sono altre soluzioni se non quella di installare celle aggiuntive in maggiore densitĆ . Questi fattori influenzeranno direttamente la progettazione di prodotti per macrocelle, mini celle e femtocelle. Le radio sono attualmente multibanda e i progettisti di amplificatori di potenza (PA) stanno spingendo la potenza di uscita dei Power Amplifier (PA) verso li miti/livelli piĆ¹ elevati. Questo articolo si concentra sugli amplificatori PA da 80 W con la presenza di piĆ¹ PA nel sistema. ƈ ormai comune vedere piattaforme di unitĆ  radio remote (RRU) da 1 400 W. Tuttavia, gli operatori di rete vogliono che queste RRU siano piĆ¹ efficienti dal punto di vista energetico, piĆ¹ affidabili e piĆ¹ compatte man mano che queste aumentano la densitĆ  di copertura. I punti di carico (PoL) devono operare su ampi intervalli di tensioni di ingresso e di temperatura operativa e, soprattutto, devono essere economicamente convenienti. Tuttavia, per applicazioni che richiedono una potenza pari o superiore a 500 W, la progettazione magnetica e le perdite di conduzione nei circuiti secondari di un convertitore forward con clamp attivo sono diventate difficili da gestire a causa della necessitĆ  di uno schema di controllo avanzato per mantenere la temporizzazione del ritardo tra il clamp attivo e lā€™azionamento del gate dellā€™interruttore principale. Questo articolo presenta una soluzione PoL scalabile e parallelabile a 48 VDCĀ in grado di fornire una risposta per le situazioni ad alta densitĆ  di consumo energetico generate da queste reti ad alta densitĆ  che devono gestire lā€™enorme crescita del traffico di rete.

Introduzione

I sistemi di telecomunicazioni e di rete wireless funzionano tipicamente con unā€™alimentazione a -48 VDC. Essendo lā€™alimentazione DC piĆ¹ semplice, ĆØ stato possibile costruire sistemi di backup dellā€™alimenta zione utilizzando le batterie senza la necessitĆ  di un inverter. Lā€™alimentazione DC puĆ² essere immagazzinata in batterie e queste ultime possono

continuare a funzionare per un periodo di tempo a seguito dellā€™interruzione dellā€™alimentazione di rete. Tuttavia, lā€™alimentazione a -48 VDCĀ deve prima essere convertita in modo efficiente in una tensione di bus intermedia positiva, prima di poter essere amplificata per alimentare il PA o ridotta a unā€™alimentazione utilizzabile dalle unitĆ  in banda base digitale (BBU). Un alimentatore con una capacitĆ  da 100 W a 350 W era in passato sufficiente per coprire molte applicazioni. I convertitori forward costituivano la scelta ideale e sono stati impiegati per anni nelle unitĆ  BBU e RRU nelle telecomunicazioni. Con la crescente domanda di dati mobili, continuano a emergere nuovi mercati e applicazioni. Il convertitore forward ĆØ ora messo a dura prova, soprattutto quando i requisiti di potenza di uscita di questi nuovi progetti radio superano i 500 W. In questo artico lo, presentiamo un controllore buck-boost invertente ad alta tensione multifase pa rallelabile e interleaved che soddisferĆ  tutti i requisiti/sfide per soddisfare gli attuali requisiti degli apparecchi di telecomunicazioni 5G. Ma, prima di tutto, da dove ha origine lā€™alimentazione -48 VDCĀ e perchĆ© il potenziale ĆØ negativo?

Un tipico sistema di alimentazione DC per telecomunicazioni

Le reti di telecomunicazioni e wireless funzionano in genere con unā€™alimenta zione a -48 VDC, ma perchĆ©? In breve, lā€™alimentazione a -48 VDC,Ā nota anche come sistema a terra positiva, ĆØ stata scelta perchĆ© fornisce energia sufficiente per supporta re un segnale di telecomunicazioni, ma ĆØ piĆ¹ sicuro per il corpo umano durante le attivitĆ  di manutenzione. ƈ attualmente accettata dalle norme di sicurezza e dal codice elettrico la prassi, secondo cui tutto ciĆ² che funziona a 50 VDCĀ o al di sotto di questo valore ĆØ considerato un circuito a bassa tensione sicuro. Un altro motivo ĆØ che lā€™alimentazione a -48 VDCĀ consente agli operatori telecom di utilizzare facilmente batterie al piombo-acido da 12 V collegate in serie, per fungere da fonte di alimentazione di backup in caso di interruzione dellā€™alimentazione del sistema di rete. Lā€™alimentazione negativa a 48 VDCĀ ĆØ ancora lo standard nelle infrastrutture di comunicazione che servono servizi cabla ti e wireless, in quanto si ritiene generi meno corrosione nel metallo (o almeno inibisca la corrosione galvanica) rispetto alle tensioni positive. LaĀ figura 1Ā presenta un diagramma semplificato di un tipico sistema di alimentazione DC per telecomunicazioni e pone lā€™accento sul modo in cui come viene generata e distribuita lā€™alimentazione a -48 VDC. Il sistema di alimentazione DC telecom comprende in genere il sistema di rete elettrica nazionale, un generatore diesel, un interruttore di trasferimento automatico AC (ATS), ad azione automatica, un sistema di distribuzione dellā€™energia, pannelli solari o schede, controllori e caricabatterie, raddrizzatori, batterie di backup disposte in serie e i cavi e gli interruttori corrispondenti.
Quando lā€™energia proveniente dalla rete viene interrotta, il generatore diesel ĆØ pro gettato per iniziare automaticamente a fornire alimentazione AC al sistema di porte DC. Lā€™ATS sincronizza le tensioni provenienti da diverse sorgenti verso lā€™apparecchiatura. PoichĆ© la maggior parte degli apparecchi di telecomunicazioni presenti nel sito richiede unā€™alimentazione con tensione DC, lā€™alimentazione AC fornita dalla rete elettrica o dal generatore diesel viene convertita a -48 VDCĀ dai raddrizzatori. Tali raddrizzatori ridondanti vengono utilizzati per convertire lā€™alimentazione AC in alimentazione a -48 VDC, utilizzata per caricare le batterie e supportare i carichi critici. Le batterie, che sono flottanti, forniscono lā€™alimentazione di -48 VDCĀ agli apparecchi di telecomunicazioni o ad al tri carichi se i raddrizzatori non riescono a farlo. Le reti BTS o RRH non avvertono la differenza nella fonte di alimentazione presente, e il tutto continua a funzionare normalmente. Quando lā€™alimentazione ĆØ ripristinata, i raddrizzatori prendono di nuovo il sopravvento. In sostanza, lā€™intero gruppo di alimentazione funziona come un grande gruppo di continuitĆ  (UPS).

Figura 1. Un diagramma semplificato di un tipico sistema di alimentazione DC per telecomunicazioni.

I limiti del convertitore Forward

Ora che abbiamo capito da dove ha origine la scelta dellā€™alimentazione a -48 VDC, discutiamo una delle topologie PoL piĆ¹ utilizzate per convertire i -48 VDCĀ in tensioni positive. Molti progettisti di PoL telecom utilizzano un convertitore forward con clamp attivo per realizzare la configurazione a buck-boost invertito. Altre ver sioni del circuito che vengono utilizzate sono convertitori push-pull, a mezzo ponte o a ponte intero. I vantaggi sono che la maggior parte dellā€™energia di dispersione del trasformatore viene recuperata tramite lo schema recupero con perdite pressochĆ© nulle. ƈ importante che il progettista di PoL comprenda innanzitutto gli aspetti di base della temporizzazione che sono intrinseci al reset del clamp attivo. Infatti, un errato dimensionamento del condensatore di clamp puĆ² portare ad un aumento del duty cycle del PoL, che puĆ² provocare la saturazione del trasformatore e causare problemi di affidabilitĆ  nel lungo termine sullā€™interruttore principale. LaĀ figura 2Ā mostra uno schema convenziona le del circuito del convertitore forward con clamp attivo con reset del trasformatore al lato basso. Il meccanismo di reset del trasformatore include i parametri CCLAMPĀ e Q1. Alcuni degli svantaggi associati al clamp attivo includono la necessitĆ  di dimensionare con precisione il condensatore di clamp. Un valore elevato del condensatore comporta una minore oscillazione della tensione, ma introduce una limitazione alla risposta al transitorio. La topologia forward con clamp attivo richiede lā€™utilizzo di una tecnica di controllo avanzata per la sincronizzazione del ritardo tra il clamp attivo e lā€™azionamento del gate dellā€™interruttore principale.

Figura 2. Un tradizionale morsetto di reset del trasformatore al lato basso in configurazione active forward.

Un altro svantaggio associato al clamp attivo ĆØ che, se non ĆØ clampato ad un valore massimo, un aumento del duty cycle puĆ² provocare la saturazione del trasformatore o un ulteriore stress in tensione sullā€™interruttore principale, che puĆ² risultare catastrofica. Infine, il convertitore forward con clamp attivo ĆØ un convertitore DC-DC monostadio. Con lā€™aumento del livello di potenza, ad esempio, con le apparecchiature da 800 W nei sistemi 5G che stanno diventando la norma, uno schema multifase presenta maggiori vantaggi per queste applica zioni energivore. Un convertitore monofase ĆØ privo di tutti i vantaggi derivanti dallā€™utilizzo di unā€™architettura interleaved multifase. Inoltre, una configurazione forward con clamp attivo non puĆ² essere scalata verso potenze in uscita superiori con risultati simili a quelli di un progetto con potenze inferiori. Nella sezione successiva, viene presentato il convertitore buck-boost MAX15258 con inversione di polaritĆ . La figura 3Ā mostra un tipico diagramma a bloc chi ad alto livello dellā€™alimentatore per una scheda macro o Femto RRU 5G. Un controllore sostituibile a caldo ĆØ quasi sempre posizionato davanti al convertitore da -48 VDC. Esempi di unitĆ  di gestione dellā€™alimentazione con Hot Swap a 48 VDC sono i dispositivi ADM1073 e LTC4284, che sono perfetti per questo tipo di applicazioni.

Figura 3. Diagramma a blocchi di un alimentatore per stazione base macro 5G.

Figura 4. Un diagramma a blocchi semplificato dello schema buck-boost a due fasi interlacciate con inversione.

Circuiti Integrati in evidenza

Il MAX15258 ĆØ un controllore boost multifase ad alta tensione con interfaccia di gitale I2C progettato per supportare fino a due driver MOSFET e quattro MOSFET esterni in configurazioni boost/ buck-boost invertente monofase o bifase. ƈ possibile parallelare due controllori per una configurazione a 3 o 4 fasi. Il dispositivo regola le fasi con il giusto grado di sfasa mento per ottenere il massimo effetto di cancellazione dellā€™oscillazione. Quando ĆØ configurato come convertitore buck-boost invertente, il MAX15258 ĆØ dotato di un traslatore interno di livello con retroazione ad alta tensione che rileva la tensione di uscita in modo differenziale. LaĀ figura 4Ā mostra il diagramma a blocchi semplificato di uno schema buck-boost a due fasi interleaved con inversione.
Con questo circuito integrato, i progettisti non devono tenere conto di un possibile sbilanciamento di fase (dal 15% al 20%) durante la fase di progettazione, come si dovrebbe invece fare nel caso di convertitori forward. Il controllore si basa su unā€™architettura ā€œfixed frequency peak current modeā€, che fornisce una risposta rapida al transitorio per regolare lā€™uscita. Uno schema a blocchi dettagliato dellā€™a nello di controllo ĆØ mostrato nel datasheet. Il dispositivo monitora la corrente del low side MOSFET di ciascuna fase, tramite la resistenza RSENSEĀ e utilizza una misura differenziale della corrente per garantire un corretto bilanciamento della corrente stessa in fase attiva, quando due circuiti integrati MAX15258 vengono parallelati in una configurazione host-node. Lo sbilanciamento di corrente viene applicatoā€ cycle by cycleā€ al circuito di misura della corrente come feedback, contribuendo alla regolazione, di modo che la corrente di carico sia equamente suddivisa tra le due fasi. Nel funzionamento a 3 o 4 fasi, il nodo del dispositivo utilizza i segnali differenziali (CSIO+, CSIOā€“) per comunicare il valore di corrente media al controllore host. ƈ questa funzione di bilanciamento accurato della corrente che ha reso il MAX15258 molto interessante per i progettisti di PoL. LaĀ figura 5Ā mostra lā€™alimentatore buck-boost invertente in configurazione interleaved a 4 fasi da -48 VINĀ a +48 VOUTĀ a 800 W con i segnali CSIO+ e CSIO- che collegano i due controllori. Si osservi che anche i pin SYNC dei due dispositivi sono collegati per garantire la sincronizzazione del clock nella configurazione interleaved.

Figura 5. Alimentatore buck-boost invertente interleaved a 4 fasi da -48 VINĀ a +48VOUTĀ a 800 W con i segnali CSIO+ e CSIO- che collegano i due controllori.

Ancora una volta, il MAX15258 ĆØ fondamentalmente un convertitore boost che funziona a una frequenza relativamente bassa. CiĆ² riduce naturalmente le perdite di commutazione, le quali sono i fattori piĆ¹ importanti che determinano la per dita di potenza in questi convertitori. Il dispositivo ĆØ progettato per supportare frequenze di commutazione fino a 1 MHz. Nel funzionamento multifase, le fasi vengono eseguite in parallelo e tutte alla stessa frequenza (ma interleaved). La frequenza equivalente totale ĆØ:

N Ɨ Freq

dove:
N = numero delle fasi, ma le perdite sono quelle alla frequenza di ciascun convertitore.

La configurazione interleaved comporta in una certa misura la cancellazione della corrente di ripple vista dal condensatore in uscita. La corrente di ripple in ingresso ĆØ notevolmente ridotta, quindi ĆØ possibile utilizzare induttori piĆ¹ piccoli in ingresso. Lā€™utilizzo della tecnologia di induttore accoppiato (CL) brevettata da ADI contribuisce anche ad attenuare la corrente di ripple in uscita, consentendo lā€™uso di condensatori meno costosi con livelli nominali di correnti di ripple inferiori. CiĆ² porta ad un aumento dellā€™efficienza e riduce al contempo lā€™ingombro complessivo sul PCB del PoL. In sostanza, questo fornisce una notevole potenza in uscita con una frequenza totale equivalente elevata, ma con ogni convertitore che opera in una regione a bassa perdita e a bassa frequenza. Questo ĆØ lā€™accorgimento che rende il MAX15258 una soluzione allā€™avanguardia per la conversione a -48 VDC.
La topologia forward con clamp attivo limita la capacitĆ  di ottenere duty cycle bas si, rendendo difficile il funzionamento con determinate combinazioni VINĀ e VOUT. Con gli OEM telecom che combinano diverse bande di frequenza sulle stesse piattaforme, essere in grado di supportare diversi intervalli di tensione di uscita allā€™amplificatore PA ĆØ diventato un requisito difficile da soddisfare. Un convertitore forward con clamp attivo ĆØ limitato nella potenza di uscita. Il controllore MAX15258 soddisfa i requisiti di distanza tra i pin o la spaziatura delle tracce su PCB secondo lo standard IPC9592B per tensioni di picco fino a 56 V. Questā€™ultimo fornisce una for mula per calcolare le distanze superficiali su PWB per una tensione operativa da 30 V a ~ 100 V, che ĆØ pari a: Distanza (mm) = 0,1 + VPICCO Ɨ 0,01 (ad esempio, lā€™alloggiamento da 56 V si traduce in uno spazio di 0,66 mm tra i pin ad alta tensione e gli altri pin). In ultima analisi, il convertitore forward con clamp attivo richiede molte fasi di design complesse per garantire che il trasformatore non si saturi. Tuttavia, il controllo re MAX15258 inverte automaticamente la tensione ottenendo una potenza di uscita molto elevata ad altissima efficienza con unā€™eccezionale (superiore) capacitĆ  di duty cycle. Queste caratteristiche consentono di ottenere una piattaforma scalabile e parallelalbile (fino a quattro fasi), che offre un controllo flessibile e stabile del duty cycle per supportare un ampio intervallo di VINĀ e VOUT. LaĀ figura 6Ā mostra le curve di efficienza di un progetto di riferimento basato su controllore MAX15258 a 800 W con induttore accoppiato per diversi valori di VINĀ e VOUT. I grafici mostrano chiara mente valori di efficienza ā€œbest in classā€ in torno al 98% o superiori grazie alle minori perdite di conduzione. Tutto questo a un costo inferiore rispetto a soluzioni alternative.

Figura 6. Curve di efficienza del progetto di riferimento MAX15258 CL da 800 W in corrispondenza di diversi valori di VINĀ e VOUT.

Tramite lā€™interfaccia digitale I2C, lā€™utente puĆ² leggere dal MAX15258 una grande quantitĆ  di informazioni di telemetria, tra cui VIN, VOUT, correnti di fase e stato di fault. Inoltre, ĆØ possibile impostare dinamica mente la tensione di uscita attraverso lā€™interfaccia digitale. LaĀ figura 7aĀ presenta il diagramma di Bode misurato in funziona mento con corrente di carico stazionaria del progetto di riferimento MAX15258 CL a 800 W a ā€“48 VINĀ e +48 VOUTĀ (con IOUTĀ di 16 A). Il risultato ĆØ un margine di fase di 74,4Ā° e un margine di guadagno di ā€“20,7 dB. La figura 7b mostra i grafici della risposta ai transitori di carico. Come si puĆ² osservare, i fronti di commutazione sono molto puliti con valori praticamente nulli di sovraelongazione e di oscillazione.

Figura 7. a) Diagramma di Bode misurato con corrente di carico stazionaria; b) risposta al transitorio sul carico: Ch3ā€”VOUTĀ (AC), 1 V/div; Ch2ā€”ILOAD, 10 A/div.

Conclusione

Gli operatori di rete dovranno installare celle piĆ¹ piccole in piĆ¹ postazioni piĆ¹ velocemente che mai. E, naturalmente, i PoL in questi prodotti devono essere molto efficienti, con efficienze di almeno il 98% per la conversione di potenza. La configurazione del controllore buck-boost invertente ad alta tensione MAX15258 ĆØ eco nomica, efficiente e scalabile, e consente di aggiungere e rimuovere le fasi in modo semplice sullo stesso layout del PCB. Questi vantaggi consentono ai progettisti di convertitori di potenza di estendere lā€™efficienza di conversione dellā€™alimentazione. ADI continuerĆ  a rispondere a queste e a simili sfide sviluppando piĆ¹ soluzioni di conversione ad alta potenza a -48 VDCĀ pro gettate per il mercato 5G, potendo contare su una notevole esperienza nelle architetture di alimentazione.

Hamed M. Sanogo, Specialist End Market, Analog Devices

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