【導讀】隨sui著zhe新xin市shi場chang和he新xin應ying用yong不bu斷duan湧yong現xian，對dui移yi動dong數shu據ju的de需xu求qiu急ji劇ju飆biao升sheng。除chu了le以yi更geng大da的de密mi度du部bu署shu更geng多duo蜂feng窩wo站zhan點dian之zhi外wai，沒mei有you其qi他ta解jie決jue方fang案an。這zhe些xie因yin素su將jiang直zhi接jie影ying響xiang宏hong基ji站zhan、小基站和毫微微基站產品的設計。現在的無線電支持多頻段工作，功率放大器(PA)設計工程師都在設法將PA的輸出功率推向更高的限值/水平。

本文重點討論80 W PA，且係統中包含多個PA的情形。1400 W遠程無線電單元(RRU)平台越來越普遍。然而
，網絡運營商希望這些RRU能夠提高覆蓋密度，同時更節能
、更可靠


、更緊湊。負載點(PoL)需要在寬輸入電壓和寬工作溫度範圍內工作，更重要的是必須具有成本效益。但是，對於需要500 W或(huo)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)的(de)應(ying)用(yong)，由(you)於(yu)需(xu)要(yao)先(xian)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)來(lai)保(bao)持(chi)有(you)源(yuan)鉗(qian)位(wei)和(he)主(zhu)開(kai)關(guan)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)之(zhi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)時(shi)序(xu)，因(yin)此(ci)在(zai)有(you)源(yuan)鉗(qian)位(wei)正(zheng)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)，次(ci)級(ji)電(dian)路(lu)的(de)磁(ci)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)和(he)進(jin)行(xing)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)管(guan)理(li)的(de)難(nan)度(du)很(hen)大(da)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)可(ke)擴(kuo)展(zhan)且(qie)可(ke)堆(dui)疊(die)的(de)-48 V_DC PoL解決方案
，它能解決這些高密度網絡因網絡流量激增造成的高密度用電情況。

簡介

電信和無線網絡係統通常采用-48 V_DC電源運行。由於直流電源更簡單，因此可以使用電池構建備用電源係統
，而無需逆變器。直流電可以儲存在電池中；市電中斷時，可以利用這些電池持續供電一段時間。然而，-48 V_DC必須首先高效地轉換為正中間總線電壓，然後經過升壓才能為PA供電，或降壓為正工作電源
，供數字基帶單元(BBU)使用。容量為100 W至350 W的電源足以覆蓋許多應用需求。正激式轉換器是一個不錯的選擇
，已廣泛用於電信BBU和RRUhenduonian。suizheduiyidongshujudexuqiuchixuzengchang，xinshichanghexinyingyongbuduanyongxian。zhengjishizhuanhuanqixianzaimianlinzheyanjuntiaozhan，youqishizhexiexinxingwuxiandianshejideshuchugonglvyaoqiuchaoguole500 W。本文提出了一種可堆疊和交錯的多相高壓反相降壓-升壓控製器，它能應對所有這些需求/挑戰，滿足當今5G電信設備的要求。但首先，-48 V_DC從何而來？為什麼需要負電位
？

典型電信直流電源係統

電信和無線網絡通常采用-48 V_DC電源運行
，但為什麼呢？簡單來說，選擇-48 V_DC（也稱為正極接地係統）的原因是它能提供足夠的功率來支持電信信號
，而且在進行電信活動時對人體更安全。根據當前的安全法規和電氣規範，任何在50 V_DC或以下運行的電路都是安全的低壓電路。另一個原因是，-48 V_DC便於電信運營商輕鬆使用串聯的12 V鉛酸電池作為備用電源
，在電網係統斷電時持續供電。-48 V_DC仍然是提供有線和無線服務的通信設施的標準，因為人們認為與正電壓相比，它對金屬造成的腐蝕更少（或者說至少能抑製電偶腐蝕）。圖1為典型電信直流電源係統的示意圖，重點顯示了-48 V_DC的創建和分配方式。電信直流電源係統通常包括：國家電網係統、柴油發電機、自主式交流自動切換開關(ATS)、配電係統、太陽能電池板或電路板、控製器和充電器、整流器、串聯布置的備用電池
，以及相應的電纜和斷路器。

圖1.典型電信直流電源係統的示意圖

當電網斷電時，柴油發電機會自動啟動，為直流端口係統提供交流電源。ATS將供給設備的不同電源電壓同步。由於現場大多數電信設備都需要直流電源
，因此來自電網或柴油發電機的交流電通過整流器轉換為-48 V_DC。這些冗餘整流器用於將交流電源轉換為-48 V_DC電源，從而對電池進行涓流充電並支持關鍵負載。電池處於浮動狀態
，如果整流器無法提供-48 V_DC電源，則電池將為電信設備或其他負載提供該電源。BTS或RRH不會注意到實際電源的差異，一切都保持正常運行。當電源恢複時，整流器再次接管。本質上，整個發電廠就像一個大型不間斷電源(UPS)。

正激式轉換器的局限性

了解-48 V_DC的來源之後，接下來我們討論業界常用的將-48 V_DC轉換為正電壓的PoL拓撲之一。許多電信PoL設計人員使用有源鉗位正激式轉換器來實現反相降壓-升壓設計。此外也使用其他電路形式，例如推挽式、半橋式或全橋式轉換器。好處是變壓器泄漏的大部分能量可以通過其近乎無損的回收方法回收。對於PoL設計人員而言，首先了解有源鉗位複位固有的基本時序是非常重要的。事實上
，鉗位電容的尺寸選擇不當可能會導致PoL占空比增加，進而造成變壓器飽和，並對主開關的長期可靠性造成影響。圖2顯示了傳統的低側變壓器複位有源鉗位正激式轉換器電路設計。變壓器複位機製包括C_CLAMP和Q1。

圖2.傳統的低側變壓器複位鉗位有源正激設計

yuyouyuanqianweixiangguandeyixiequedianbaokuoxuyaozhunquediquedingqianweidianrongdedaxiao。dianrongzhiyueda
，chanshengdedianyawenboyuexiao，danhuidailaishuntaixiangyingxianzhi。youyuanqianweizhengjituopuxuyaoshiyongxianjindekongzhijishu
，yishixianyouyuanqianweihezhukaiguanzhajiqudongzhijiandeyanchishixutongbu。yuyouyuanqianweixiangguandelingyigequedianshi，ruguoweinengqianweidaomougezuidazhi，zengdadezhankongbikenenghuidaozhibianyaqibaohe，huogeizhukaiguandailaiewaidedianyayingli，zhekenengzaochengzainanxinghouguo。zuihou，youyuanqianweizhengjishizhuanhuanqishidanjiDC-DC轉換器。隨著功率水平的提高（例如，5G係統中800 W設備正在成為常態），多duo相xiang設she計ji將jiang為wei這zhe些xie高gao耗hao電dian應ying用yong帶dai來lai更geng多duo優you勢shi。單dan相xiang轉zhuan換huan器qi無wu法fa提ti供gong使shi用yong多duo相xiang交jiao錯cuo操cao作zuo帶dai來lai的de任ren何he收shou益yi。此ci外wai

，有you源yuan鉗qian位wei正zheng激ji設she計ji無wu法fa將jiang較jiao低di輸shu出chu功gong率lv設she計ji類lei似si的de結jie果guo擴kuo展zhan到dao更geng高gao輸shu出chu功gong率lv。下xia一yi節jie將jiang介jie紹shao反fan相xiang降jiang壓ya-升壓轉換器 MAX15258 。圖3為5G宏基站或毫微微基站的RRU板電源的典型簡化框圖。熱插拔控製器幾乎普遍放在-48 V_DC轉換器的前麵。全功能-48 V_DC熱插拔電源管理器的示例包括 ADM1073 和 LTC4284，都非常適合這些應用。

圖3.5G宏基站電源框圖

重點IC器件

MAX15258是一款具有I²C數字接口的高壓多相升壓控製器，可在單相或雙相升壓/反相-降壓-升壓配置中支持多達兩個MOSFET驅動器和四個外部MOSFET。兩個控製器可以堆疊，以構成三相或四相配置。該器件以適當的相移量驅動各相
，盡可能有效地消除紋波。配置為反相降壓-升壓轉換器時，MAX15258具有一個內部高壓反饋電平轉換器
，用於對輸出電壓實施差分檢測。圖4為實現交錯式兩相反相降壓-升壓設計的簡化框圖。

圖4.兩相交錯反相降壓-升壓的簡化框圖

借助該IC
，與正激式轉換器設計不同
，設計人員在設計計算步驟中無需考慮可能存在的（15%至20%）相位不平衡。該控製器依靠固定頻率峰值電流模式架構來調節輸出，這種架構可提供快速瞬態響應。器件 數據手冊 中顯示了控製環路的詳細框圖。該器件通過RSENSE監測每相的低側MOSFET電流
，並使用差分電流檢測信號
，以確保在主機-節點配置中堆疊兩個MAX15258 IC時shi實shi現xian正zheng確que的de有you源yuan相xiang電dian流liu平ping衡heng行xing為wei。電dian流liu不bu平ping衡heng將jiang作zuo為wei反fan饋kui應ying用yong於yu逐zhu周zhou期qi電dian流liu檢jian測ce電dian路lu
，這zhe有you助zhu於yu調tiao節jie，使shi負fu載zai電dian流liu在zai兩liang相xiang之zhi間jian實shi現xian均jun流liu。在zai三san相xiang或huo四si相xiang操cao作zuo中zhong，節jie點dian器qi件jian使shi用yong差cha分fen（CSIO+
、CSIO-）信號將其平均電流傳送至主機控製器。正是這種準確的電流平衡特性使得MAX15258對PoL設計人員非常有吸引力。圖5顯示了四相交錯反相降壓-升壓-48 V_IN至+48 V_OUT 800 W電源，其中CSIO+和CSIO-信號連接兩個控製器。請注意，兩個器件的SYNC引腳也已連接，以確保協調相位交錯方案的時鍾同步。

圖5.四相交錯反相降壓-升壓-48 V_IN至+48 V_OUT 800 W，CSIO+和CSIO-信號連接控製器

同樣，MAX15258本(ben)質(zhi)上(shang)是(shi)一(yi)個(ge)以(yi)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)頻(pin)率(lv)運(yun)行(xing)的(de)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。這(zhe)自(zi)然(ran)會(hui)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)
，而(er)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)是(shi)這(zhe)些(xie)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)因(yin)素(su)。該(gai)器(qi)件(jian)支(zhi)持(chi)高(gao)達(da)1 MHz的開關頻率。在多相操作中
，各相並行運行
，並且都以相同的頻率運行（但交錯）。總等效頻率為N × Freq

，其中Nshixiangshu，dansunhaoshimeigezhuanhuanqidepinlvsunhao。jiaocuoshixianfanganhuizaiyidingchengdushangdixiaoshuchudianrongdewenbodianliu。shuruwenbodianliudadajiangdi

，yincikeyishiyonggengxiaodeshurudiangan。shiyongADI獲得專利的耦合電感(CL)技術還有助於衰減輸出紋波電流
，從而可以使用較便宜且紋波電流額定值較低的電容。這導致效率提高，同時總體PoL PCB尺寸減小。本質上，它以很高的等效總頻率提供大量輸出功率
，但每個轉換器在低損耗區域以低頻率運行。通過這一巧妙設計
，使MAX15258成為-48 V_DC轉換的先進解決方案。

有源鉗位正激拓撲限製了實現占空比的能力，使得某些V_IN和V_OUT組合難以工作。隨著電信OEM在同一平台上組合不同頻段
，支持不同PA輸出電壓範圍的能力已成為一項硬性要求。有源鉗位正激式轉換器的輸出功率有限。MAX15258滿足IPC9592B引腳間隙或PCB導體間距要求

，支持高達56 V的峰值電壓。IPC9592B標準提供了一個公式來計算30 V至 ~100 V工作電壓下的PWB表麵間隙，即：間隙(mm) = 0.1 + V_PEAK × 0.01（例如，在56 V情況下
，高壓引腳與其他引腳之間的間隙為0.66 mm）。

歸根結底
，有源鉗位正激式轉換器需要太多複雜的步驟才能確保變壓器不會飽和。然而
，MAX15258會自動使電壓反相
，以非常高的效率提供非常高的輸出功率，並具有出色（更高）的占空比能力。這些特性支持可擴展和可堆疊（最多四相）平台設計
，提供靈活且穩定的占空比控製，以適應較寬的V_IN和V_OUT範圍。圖6顯示了基於耦合電感的MAX15258 800 W參考設計在不同V_IN和V_OUT條件下的效率曲線。這些曲線清楚地表明
，由於傳導損耗較低，效率可達到98%或更高，非常出色。所有這一切都是以較低的相對BOM成本實現的。

圖6.MAX15258 CL 800 W參考設計在不同V_IN和V_OUT條件下的效率曲線

通過I2C數字接口
，用戶可以從MAX15258讀回大量遙測信息，包括V_IN
、V_OUT、相電流和故障狀態。

此外，輸出電壓可以通過數字接口動態設置。圖7a顯示了MAX15258 CL 800 W參考設計在-48 V_IN和+48 V_OUT (16 A I_OUT)條件下，以穩態負載電流工作時測得的伯德圖。結果顯示，相位裕量為74.4°
，增益裕量為-20.7 dB。圖7b顯示了負載瞬態響應曲線。可以觀察到，開關邊沿非常幹淨，過衝幾乎為零，振鈴為零。

圖7.(a) 以穩態負載電流工作時測得的伯德圖；(b) 負載瞬態響應：Ch3—V_OUT (AC)，1 V/div；Ch2—I_LOAD
，10 A/div。

結論

網絡運營商將不得不在更多的地方

，以超越以往的更快速度安裝更多小型基站。當然
，這些產品中的PoL需要非常高效，額定電源轉換效率至少要達到98%。MAX15258高壓反相降壓-升壓控製器設計具有高性價比

、高效率且可擴展的優點，允許在同一PCB布局上輕鬆添加和刪除相位。這些優勢有助於電源轉換器設計人員提高電源轉換效率。ADI公司將繼續應對這些難題和類似的挑戰，充分運用電源架構方麵的豐富專業知識，麵向5G市場開發更多的-48 V_DC高功率轉換解決方案。

作者：Hamed M. Sanogo

來源：ADI

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