羅爾夫·霍恩

　　電信部門已成為現代社會和即時全球通信的重要組成部分。無論是電話、短信還是網絡命令，電信設備都能確?？煽康倪B接。幕后運行的電源是一個很少被人認識到的重要組件。

　　本文重點介紹Analog Devices 的 MAX15258，該器件設計用于在單相或雙相升壓/反相降壓升壓配置中容納最多兩個 MOSFET 驅動器和四個外部 MOSFET?？梢詫蓚€設備組合起來進行三相或四相操作，從而實現更高的輸出功率和效率水平。

　　滿足不斷增長的電力需求

　　在技術發展、網絡流量增加和電信基礎設施擴張的推動下，電信行業的電力需求隨著時間的推移而不斷增長。從第三代(3G)到第四代(4G)和第五代(5G)網絡的過渡催生了先進的高功率設備。

　　5G技術的部署對基站和蜂窩塔的功率需求產生了重大影響?；?，特別是城市地區的基站，需要更高的功率水平來支持大規模 MIMO(多輸入、多輸出)配置和波束成形所需的更多天線和無線電單元。

　　冗余是另一個關鍵因素。電源的設計必須考慮到冗余，通常包括電池或發電機等備用電源，以確保停電時不間斷運行。

　　與前幾代無線網絡相比，5G 移動技術的部署對電源器件要求帶來了一些變化。為了讓 5G 兌現可靠、高速和低延遲通信的承諾，必須滿足一些標準。

　　功率放大器要求

　　支持廣泛的頻段，包括 6 GHz 以下和毫米波(毫米波)頻率，這對信號傳播提出了獨特的挑戰。

　　適應更寬的信號帶寬和更高的功率水平，并提供線性放大以防止高數據速率信號失真。

　　高效運行，最大限度地減少功耗和熱量產生，特別是對于電池供電的設備和遠程小型基站。

　　包括輕質、緊湊的外形，可以安裝到小型外殼中，例如小型蜂窩基站和用戶設備。

　　結合先進的材料和技術，例如由氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 制成的半導體器件，以提供更高的功率密度、增強的性能和更高的工作頻率。

　　電源轉換要求

　　由于歷史、實際和技術原因，電信系統通常使用 -48 V直流電源。如果發生電網故障或其他緊急情況，電信網絡需要可靠的備用電源。鉛酸電池通常用于備用電源，也可以在 -48 V直流電壓下運行。主電源和備用電源使用相同的電壓可以更輕松地設計和維護備用系統。此外，-48 V DC等較低電壓對于使用電信設備的人員來說更加安全，從而降低了觸電和受傷的風險。

　　電信設備的電源必須滿足特定的操作要求，以確保可靠性和效率。以下是一些重要的規格：

　　輸入電壓范圍：電源的設計應能夠承受較寬的輸入電壓范圍。

　　電壓調節：電源必須根據電信設備的要求提供穩定且穩定的輸出電壓。

　　高效率：電源應高效，以減少功率損耗和能源消耗。通常效率至少為 90%。

　　冗余：為了確保不間斷運行，電源通常包含冗余功能，例如使用附加電源的 N+1。如果其中一方失敗，另一方可以承擔責任。

　　可熱插拔：在關鍵任務安裝中，電源應可熱插拔，以確保更換或維護期間的停機時間最短。

　　高可靠性：電源應配備保護機制，避免因過流、過壓、短路等不良工作條件而造成損壞。

　　有源鉗位正激轉換器

　　有源鉗位正向轉換器 (ACFC) 是電源系統中常見的 DC/DC 轉換器配置，主要用于將 -48 V DC轉換為正電壓電平。 ACFC是一種電壓轉換電路，集成了正激轉換器和有源鉗位電路的特性以提高效率。該技術在電信和數據中心設備的供電系統中很普遍。

　　ACFC 的核心元件是變壓器(圖 1)。變壓器的主繞組接收輸入電壓，從而在次級繞組中感應出電壓。變壓器的輸出電壓由其匝數比決定。

　　有源鉗位電路包含輔助半導體開關和電容器，可調節和控制變壓器漏感內包含的能量。當主開關關閉時，存儲在漏感中的能量被重定向到鉗位電容器，從而防止電壓尖峰。這種做法減輕了主開關的壓力并提高了運行效率。來自變壓器次級繞組的電壓通過二極管進行整流，輸出電壓通過輸出濾波電容器進行平滑。最后，ACFC 采用軟開關運行，這意味著開關轉換更加平滑并且產生的噪聲更少。這樣可以減少電磁干擾 (EMI) 并降低開關損耗。

　　圖 1：ACFC 拓撲。 (來源：ADI)

　　ACFC 電路減少了電壓尖峰和元件壓力，從而提高了效率，尤其是在高輸入輸出電壓比的情況下。此外，它可以處理寬范圍的輸入電壓，使其適合具有不同輸入電壓的電信和數據中心應用。

　　有源鉗位電路的缺點包括：

　　如果不限制在最大值，則增加的占空比可能會導致變壓器飽和或主開關上的額外電壓應力，從而需要精確確定鉗位電容器的尺寸。

　　ACFC 是一種單級 DC-DC 轉換器。隨著功率水平的提高，多相設計對于電信等功率密集型應用的優勢將會增加。

　　有源鉗位正向設計無法擴展到更高的輸出功率并保持相似的性能。

　　克服 ACFC 的限制

　　Analog Devices 的 MAX15258 是一款高壓多相升壓控制器，具有 I 2 C 數字接口，專為電信和工業應用而設計。該器件的升壓配置輸入電壓范圍為 8V 至 76V，反相降壓/升壓配置輸入電壓范圍為 -8V 至 -76V。輸出電壓范圍為 3.3 V 至 60 V，可滿足包括電信設備在內的各種應用的要求。

　　這種多功能 IC 的典型應用是圖 2 所示的 5G 宏蜂窩或毫微微蜂窩的電源。熱插拔功能由負電壓熱插拔控制器確保，例如 ADI 的 ADM1073，由 -48 V DC供電。同樣的電壓為 MAX15258 降壓/升壓轉換器供電，該轉換器能夠提供高達 800 W 的輸出功率。

　　圖 2：5G 應用電源級框圖。 (來源：ADI)

　　MAX15258設計用于在升壓/反相-降壓-升壓單相或雙相配置中支持多達兩個MOSFET驅動器和四個外部MOSFET。它還結合了兩個設備以進行三相或四相操作。它具有一個內部高壓 FB 電平轉換器，用于在配置為反相降壓-升壓轉換器時差分感測輸出電壓。通過專用參考輸入引腳或通過 I 2 C 數字接口，可以動態設置輸出電壓。

　　外部電阻器可用于調節內部振蕩器，或者調節器可與外部時鐘同步以保持恒定的開關頻率。支持 120 kHz 至 1 MHz 的開關頻率。該控制器還具有過流、輸出過壓、輸入欠壓和熱關斷保護。

　　OVP 引腳上的電阻指定控制器的相數。該標識用于確定控制器如何響應主相的多相時鐘信號。在四相轉換器中，MAX15258 控制器或目標的兩相交錯 180°，而控制器和目標之間的相移為 90°(圖 3)。

　　圖 3：四相配置 - 控制器和目標波形。 (來源：ADI)

　　在多相操作中，MAX15258監控低側MOSFET電流，以實現有源相電流平衡。作為反饋，電流不平衡被施加到逐周期電流感測電路，以幫助調節負載電流。這樣做可以確保兩個階段之間的公平分配。與正激轉換器設計不同，設計人員在使用該 IC 時無需在設計計算階段考慮可能的 15% 至 20% 相位不平衡。

　　在三相或四相操作中，平均每芯片電流通過專用差分連接在控制器和目標之間傳輸。電流模式控制器和目標器件調節各自的電流，以便所有相公平地共享負載電流。

　　圖 4 所示的四相交錯反相降壓-升壓電源適用于需要大量功率的應用。 CSIO+ 和 CSIO– 信號連接兩個控制器，連接 SYNC 引腳以確保具有協調相位的相位交錯方案的時鐘同步。

　　圖 4：四相反相降壓-升壓 -48 V輸入至 +48 V輸出800 W 電源。 (來源：ADI)

　　MAX15258是一款低頻升壓轉換器。這減少了轉換器的主要功率損耗來源——開關損耗。由于每個轉換器在低頻下在其低損耗區域運行，因此可以在高等效總頻率下提供高輸出功率。這使其成為轉換 -48 V DC的首選設備。

　　以穩定的占空比運行，可獲得高輸出功率和極高的效率。圖5顯示了基于耦合電感器的MAX15258 800 W參考設計在V IN和V OUT的各種組合下的效率曲線。由于傳導損耗減少，這些圖清楚地顯示了超過 98% 的效率數字。

　　圖 5：MAX15258 CL 800 W 參考設計的效率與輸出負載電流的關系。 (來源：ADI)

　　結論

　　電源在電信行業中發揮著重要作用。由于有源鉗位正向轉換器 (ACFC) 能夠實現高效率并最大限度地減少功率損耗，因此在電信電源設計中受到青睞。然而，固有的局限性可能會阻礙它們在特定情況下的功效。為了克服有源鉗位正激轉換器的局限性，新一代電源技術應運而生，它具有更高的效率、更高的功率密度和簡化的控制機制。在電信行業，這些新穎的解決方案為更先進和優化的電源鋪平了道路。