实现电信电源高效率

作者：Rolf Horn

电信行业在现代社会中发挥着重要作用，是全球即时通信的重要基础。无论是对于电话、短信还是网络命令，电信设备都能确保连接可靠。电信设备的正常运行离不开电源的支持，但这一关键因素却常常被人们忽视。

本文重点介绍 Analog Devices 的 MAX15258，其设计为在单相或双相升压/反相降压-升压配置中支持多达两个 MOSFET 驱动器和四个外部 MOSFET。两个器件可以组合起来实现三相或四相运行，从而提升输出功率和效率。

满足更高功率需求

受技术进步、网络流量激增和电信基础设施扩建等因素的推动，电信行业对电力的需求持续增长。从第三代 (3G) 到第四代 (4G) 和第五代 (5G) 网络的演进，催生了先进的大功率设备。

5G 技术的部署对基站和信号塔的功率需求产生了重大影响。基站，尤其是城市地区的基站，需要更高的功率水平，以支持大规模 MIMO（多输入多输出）配置和波束赋形所需的更多天线和无线电单元。

冗余是另一个关键因素。电源必须考虑冗余设计，通常包括电池或发电机等备用电源，以确保在停电时维持不间断运行。

与前几代无线网络相比，5G 移动技术的部署给电源设备的要求带来了一些变化。要让 5G 兑现其可靠、高速和低延迟通信的承诺，必须满足一些条件。

功率放大器要求

· 支持广泛的频段，包括 sub-6 GHz 和毫米波 (mmWave) 频率，这对信号传播提出了独特的挑战。
· 适应更宽的信号带宽和更高的功率水平，并提供线性放大以防止高数据速率信号失真。
· 高效运行，最大限度地降低功耗和发热，尤其对于电池供电设备和偏远地区的小型蜂窝基站。
· 重量轻且外形紧凑，可安装在小型机柜中，如小型蜂窝基站和用户设备中。
· 采用先进的材料和技术，如由氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 制成的半导体器件，以提高功率密度、性能和工作频率。

电源转换要求

由于历史、实用性和技术方面的原因，电信系统通常使用 -48 VDC 电源。电信网络需要可靠的备用电源，以应对电网故障或其他紧急情况。铅酸蓄电池是常用的备用电源，也可工作于 -48 VDC。主电源和备用电源使用相同的电压，使得设计和维护备用系统更容易。此外，较低的电压（如 -48 VDC）对从事电信设备工作的人员更安全，可降低触电和受伤的风险。

电信设备的电源必须满足特定的运行要求，以确保可靠性和效率。以下是一些重要规格：

· 输入电压范围：电源应能承受较宽的输入电压范围。
· 电压调节：电源必须根据电信设备的要求提供稳定的调节输出电压。
· 高效率：电源必须具备高效率，以减少功率损耗和能耗。通常要求至少 90% 的效率水平。
· 冗余：为确保不间断运行，电源通常具备冗余功能，如 N+1，即使用额外的电源。如果一个电源发生故障，另一个电源可以立即接管并承担供电任务。
· 可热插拔：在任务关键型设施中，电源应支持热插拔，确保在更换或维护期间尽量减少停机时间。
· 高可靠性：电源应配备保护机制，以避免在过流、过压和短路等不利工作条件下造成损坏。

有源箝位正激转换器

有源箝位正激转换器 (ACFC) 是电源系统中常见的 DC/DC 转换器配置，主要用于将 -48 VDC 转换为正电压。ACFC 是一种电压转换电路，集成了正激转换器和有源箝位电路的特性以提高效率。这项技术广泛应用于电信和数据中心设备的电源系统中。

ACFC 的核心元件是变压器（图 1）。变压器的主绕组接收输入电压，从而在次级绕组中产生感应电压。变压器的输出电压由其匝数比决定。

有源箝位电路包含辅助半导体开关和电容器，用于调节和控制变压器漏感内包含的能量。当初级开关断开时，漏感中储存的能量会被重定向到箝位电容器，从而防止出现电压尖峰。这种做法可减轻初级开关的压力，提高运行效率。变压器次级绕组的电压由二极管整流，输出电压由输出滤波电容器来平滑。最后，ACFC 采用软切换，因此开关转换更平滑，产生的噪声更小。这就减少了电磁干扰 (EMI)，降低了开关损耗。

图 1：ACFC 拓扑。（来源：Analog Devices）

ACFC 电路可减少电压尖峰和元器件承受的压力，从而提高效率，尤其是在高输入输出电压比的情况下。此外，它还能处理宽输入电压范围，因此适合输入电压不稳定的电信和数据中心应用。

有源箝位电路具有如下缺点：

· 如果不为占空比限定一个最大值，占空比的增加可能会使变压器饱和，或者给主开关带来更大的电压应力，因此必须准确选用大小合适的箝位电容器。
· ACFC 是一种单级 DC-DC 转换器。随着功率水平提高，电信等高能耗应用采用多相设计的优势更加明显。
· 有源箝位正激设计无法扩展到更高输出功率并保持相似的性能。

克服 ACFC 局限性

Analog Devices 的 MAX15258 是一款带 I2C 数字接口的高压多相升压控制器，专为电信和工业应用而设计。该器件的输入电压范围非常宽，升压配置下为 8 V 至 76 V，反相降压/升压配置下为 -8 V 至 -76 V。输出电压范围从 3.3 V 到 60 V，可满足包括电信设备在内的各种应用的要求。

这款多功能 IC 的典型应用是图 2 所示 5G 宏蜂窝或家庭基站的电源。热插拔特性由负电压热插拔控制器（如 ADI 的 ADM1073）来保证，该控制器由 -48 VDC 供电。同样的电压还为 MAX15258 降压/升压转换器供电，此转换器可提供高达 800 W 的输出功率。

图 2：5G 应用的电源级框图。（来源：Analog Devices）

MAX15258 设计为在升压/反相降压-升压单相或双相配置中支持多达两个 MOSFET 驱动器和四个外部 MOSFET。其还可以将两个器件组合起来，实现三相或四相运行。当配置为反相降压-升压转换器时，其内部高压 FB 电平转换器可以通过差分方式检测输出电压。借助专用基准输入引脚或 I2C 数字接口，可以动态设置输出电压。

可以使用外部电阻器来调节内部振荡器，也可以将稳压器与外部时钟同步，以保持恒定的开关频率。支持 120 kHz 至 1 MHz 的开关频率。该控制器还具有过流、输出过压、输入欠压和热关断保护功能。

OVP 引脚上的电阻器用来指定控制器相位数。此信息用于确定控制器如何响应主相位的多相时钟信号。在四相转换器中，MAX15258 控制器或目标的两个相位交错 180°，而控制器与目标之间的相移为 90°（图 3）。

图 3：四相配置 - 控制器和目标波形。（来源：Analog Devices）

在多相操作中，MAX15258 监控低压侧 MOSFET 电流以实现主动相电流平衡。作为反馈，电流不平衡被应用于逐周期电流检测电路，以帮助调节负载电流。这样做可以确保两相之间的电流公平分配。与正激转换器设计不同，使用该 IC 时，设计人员无需在设计计算阶段考虑可能存在的 15% 至 20% 的相位不平衡。

在三相或四相操作中，平均每芯片电流通过专用差分连接在控制器和目标之间传输。电流模式控制器和目标器件调节各自的电流，使所有相位均等地分担负载电流。

图 4 所示的四相交错反相降压-升压电源适合需要大功率的应用。CSIO+ 和 CSIO- 信号连接两个控制器，并且 SYNC 引脚也相连以保证时钟同步，实现相位协调的相位交错方案。

图 4：四相反相降压-升压 -48 VIN 至 +48 VOUT 800 W 电源。（来源：Analog Devices）

MAX15258 是一款低频升压转换器，因此能够减少开关损耗——这是转换器功率损耗的主要来源。每个转换器都在低损耗区域内以低频工作，结果是以总计等效的高频率提供高输出功率。因此，它是转换 -48 VDC 的理想器件。

该器件以稳定的占空比运行，能够以非常高的效率提供高输出功率。图 5 显示了基于耦合电感器的 MAX15258 800 W 参考设计在不同 VIN 和 VOUT 组合下的效率曲线。由于减少了传导损耗，图中清楚地显示效率超过 98%。

图 5：MAX15258 CL 800 W 参考设计的效率与输出负载电流的关系。（来源：Analog Devices）

总结

电源在电信行业中发挥着重要作用。有源箝位正激转换器 (ACFC) 能够实现高效率并大幅降低功率损耗，因此在电信电源设计中备受青睐。然而，其固有的局限性可能会妨碍它们在特定情况下的效能。为了克服有源箝位正激转换器的局限性，新一代电源技术应运而生，它们提供更高的效率、更大的功率密度和简化的控制机制。在电信行业，这些新颖的解决方案为实现更先进、更优化的电源铺平了道路。