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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 densità. 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 più elevati. Questo articolo si concentra sugli amplificatori PA da 80 W con la presenza di più PA nel sistema. È ormai comune vedere piattaforme di unità radio remote (RRU) da 1 400 W. Tuttavia, gli operatori di rete vogliono che queste RRU siano più efficienti dal punto di vista energetico, più affidabili e più compatte man mano che queste aumentano la densità 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 necessità di uno schema di controllo avanzato per mantenere la temporizzazione del ritardo tra il clamp attivo e l’azionamento del gate dell’interruttore principale. Questo articolo presenta una soluzione PoL scalabile e parallelabile a 48 VDC in grado di fornire una risposta per le situazioni ad alta densità di consumo energetico generate da queste reti ad alta densità che devono gestire l’enorme crescita del traffico di rete.

Introduzione

I sistemi di telecomunicazioni e di rete wireless funzionano tipicamente con un’alimentazione a -48 VDC. Essendo l’alimentazione DC più semplice, è stato possibile costruire sistemi di backup dell’alimenta zione utilizzando le batterie senza la necessità di un inverter. L’alimentazione DC può essere immagazzinata in batterie e queste ultime possono

continuare a funzionare per un periodo di tempo a seguito dell’interruzione dell’alimentazione di rete. Tuttavia, l’alimentazione a -48 VDC 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 un’alimentazione utilizzabile dalle unità in banda base digitale (BBU). Un alimentatore con una capacità 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 unità BBU e RRU nelle telecomunicazioni. Con la crescente domanda di dati mobili, continuano a emergere nuovi mercati e applicazioni. Il convertitore forward è 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 soddisferà tutti i requisiti/sfide per soddisfare gli attuali requisiti degli apparecchi di telecomunicazioni 5G. Ma, prima di tutto, da dove ha origine l’alimentazione -48 VDC e perché il potenziale è negativo?

Un tipico sistema di alimentazione DC per telecomunicazioni

Le reti di telecomunicazioni e wireless funzionano in genere con un’alimenta zione a -48 VDC, ma perché? In breve, l’alimentazione a -48 VDC, nota anche come sistema a terra positiva, è stata scelta perché fornisce energia sufficiente per supporta re un segnale di telecomunicazioni, ma è più sicuro per il corpo umano durante le attività di manutenzione. È attualmente accettata dalle norme di sicurezza e dal codice elettrico la prassi, secondo cui tutto ciò che funziona a 50 VDC o al di sotto di questo valore è considerato un circuito a bassa tensione sicuro. Un altro motivo è che l’alimentazione a -48 VDC 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 dell’alimentazione del sistema di rete. L’alimentazione negativa a 48 VDC è 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. La figura 1 presenta un diagramma semplificato di un tipico sistema di alimentazione DC per telecomunicazioni e pone l’accento sul modo in cui come viene generata e distribuita l’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 dell’energia, pannelli solari o schede, controllori e caricabatterie, raddrizzatori, batterie di backup disposte in serie e i cavi e gli interruttori corrispondenti.
Quando l’energia proveniente dalla rete viene interrotta, il generatore diesel è pro gettato per iniziare automaticamente a fornire alimentazione AC al sistema di porte DC. L’ATS sincronizza le tensioni provenienti da diverse sorgenti verso l’apparecchiatura. Poiché la maggior parte degli apparecchi di telecomunicazioni presenti nel sito richiede un’alimentazione con tensione DC, l’alimentazione AC fornita dalla rete elettrica o dal generatore diesel viene convertita a -48 VDC dai raddrizzatori. Tali raddrizzatori ridondanti vengono utilizzati per convertire l’alimentazione AC in alimentazione a -48 VDC, utilizzata per caricare le batterie e supportare i carichi critici. Le batterie, che sono flottanti, forniscono l’alimentazione di -48 VDC 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 l’alimentazione è ripristinata, i raddrizzatori prendono di nuovo il sopravvento. In sostanza, l’intero gruppo di alimentazione funziona come un grande gruppo di continuità (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 dell’alimentazione a -48 VDC, discutiamo una delle topologie PoL più utilizzate per convertire i -48 VDC 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 dell’energia di dispersione del trasformatore viene recuperata tramite lo schema recupero con perdite pressoché nulle. È 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 può portare ad un aumento del duty cycle del PoL, che può provocare la saturazione del trasformatore e causare problemi di affidabilità nel lungo termine sull’interruttore principale. La figura 2 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 CCLAMP e Q1. Alcuni degli svantaggi associati al clamp attivo includono la necessità 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 l’utilizzo di una tecnica di controllo avanzata per la sincronizzazione del ritardo tra il clamp attivo e l’azionamento del gate dell’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 è che, se non è clampato ad un valore massimo, un aumento del duty cycle può provocare la saturazione del trasformatore o un ulteriore stress in tensione sull’interruttore principale, che può risultare catastrofica. Infine, il convertitore forward con clamp attivo è un convertitore DC-DC monostadio. Con l’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 è privo di tutti i vantaggi derivanti dall’utilizzo di un’architettura interleaved multifase. Inoltre, una configurazione forward con clamp attivo non può 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 polarità. La figura 3 mostra un tipico diagramma a bloc chi ad alto livello dell’alimentatore per una scheda macro o Femto RRU 5G. Un controllore sostituibile a caldo è quasi sempre posizionato davanti al convertitore da -48 VDC. Esempi di unità di gestione dell’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 è 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. È 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 dell’oscillazione. Quando è configurato come convertitore buck-boost invertente, il MAX15258 è dotato di un traslatore interno di livello con retroazione ad alta tensione che rileva la tensione di uscita in modo differenziale. La figura 4 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 un’architettura “fixed frequency peak current mode”, che fornisce una risposta rapida al transitorio per regolare l’uscita. Uno schema a blocchi dettagliato dell’a nello di controllo è mostrato nel datasheet. Il dispositivo monitora la corrente del low side MOSFET di ciascuna fase, tramite la resistenza RSENSE 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 applicato” cycle by cycle” 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+, CSIO–) per comunicare il valore di corrente media al controllore host. È questa funzione di bilanciamento accurato della corrente che ha reso il MAX15258 molto interessante per i progettisti di PoL. La figura 5 mostra l’alimentatore buck-boost invertente in configurazione interleaved a 4 fasi da -48 VIN a +48 VOUT 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 VIN a +48VOUT a 800 W con i segnali CSIO+ e CSIO- che collegano i due controllori.

Ancora una volta, il MAX15258 è fondamentalmente un convertitore boost che funziona a una frequenza relativamente bassa. Ciò riduce naturalmente le perdite di commutazione, le quali sono i fattori più importanti che determinano la per dita di potenza in questi convertitori. Il dispositivo è 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 è:

N × 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 è notevolmente ridotta, quindi è possibile utilizzare induttori più piccoli in ingresso. L’utilizzo della tecnologia di induttore accoppiato (CL) brevettata da ADI contribuisce anche ad attenuare la corrente di ripple in uscita, consentendo l’uso di condensatori meno costosi con livelli nominali di correnti di ripple inferiori. Ciò porta ad un aumento dell’efficienza e riduce al contempo l’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 è l’accorgimento che rende il MAX15258 una soluzione all’avanguardia per la conversione a -48 VDC.
La topologia forward con clamp attivo limita la capacità di ottenere duty cycle bas si, rendendo difficile il funzionamento con determinate combinazioni VIN 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 all’amplificatore PA è diventato un requisito difficile da soddisfare. Un convertitore forward con clamp attivo è 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. Quest’ultimo fornisce una for mula per calcolare le distanze superficiali su PWB per una tensione operativa da 30 V a ~ 100 V, che è pari a: Distanza (mm) = 0,1 + VPICCO × 0,01 (ad esempio, l’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 un’eccezionale (superiore) capacità 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 VIN e VOUT. La figura 6 mostra le curve di efficienza di un progetto di riferimento basato su controllore MAX15258 a 800 W con induttore accoppiato per diversi valori di VIN e VOUT. I grafici mostrano chiara mente valori di efficienza “best in class” 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 VIN e VOUT.

Tramite l’interfaccia digitale I2C, l’utente può leggere dal MAX15258 una grande quantità di informazioni di telemetria, tra cui VIN, VOUT, correnti di fase e stato di fault. Inoltre, è possibile impostare dinamica mente la tensione di uscita attraverso l’interfaccia digitale. La figura 7a presenta il diagramma di Bode misurato in funziona mento con corrente di carico stazionaria del progetto di riferimento MAX15258 CL a 800 W a –48 VIN e +48 VOUT (con IOUT di 16 A). Il risultato è un margine di fase di 74,4° e un margine di guadagno di –20,7 dB. La figura 7b mostra i grafici della risposta ai transitori di carico. Come si può 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: Ch3—VOUT (AC), 1 V/div; Ch2—ILOAD, 10 A/div.

Conclusione

Gli operatori di rete dovranno installare celle più piccole in più postazioni più 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 è 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 l’efficienza di conversione dell’alimentazione. ADI continuerà a rispondere a queste e a simili sfide sviluppando più soluzioni di conversione ad alta potenza a -48 VDC 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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