El sector de las telecomunicaciones se ha convertido en un elemento importante de la sociedad moderna y de la comunicación mundial instantánea. Ya sea para una llamada telefónica, un mensaje de texto o un comando web, los equipos de telecomunicaciones garantizan conexiones fiables. La fuente de alimentación que funciona entre bastidores es un componente esencial que rara vez se reconoce.
Este artículo se centra en el MAX15258 de Analog Devices, diseñado para alojar hasta dos controladores de MOSFET y cuatro MOSFET externos en configuraciones monofásicas o bifásicaselevador/inversor-reductor-elevador. Es posible combinar dos dispositivos para un funcionamiento trifásico o tetrafásico, consiguiendo mayores niveles de potencia de salida y eficiencia.
Satisfacer la creciente demanda de electricidad
La demanda de energía en el sector de las telecomunicaciones ha crecido con el tiempo, impulsada por los avances tecnológicos, el aumento del tráfico de red y la expansión de las infraestructuras de telecomunicaciones. La transición de las redes de tercera generación (3G) a las de cuarta generación (4G) y quinta generación (5G) ha dado lugar a equipos avanzados y de gran potencia.
La implementación de la tecnología 5G ha tenido un impacto significativo en los requisitos de potencia de las estaciones base y las torres de telefonía móvil. Las estaciones base, sobre todo las situadas en zonas urbanas, necesitan niveles de potencia más altos para soportar el mayor número de antenas y unidades de radio necesarias para las configuraciones MIMO (múltiple entrada, múltiple salida) masivas y la formación de haces.
La redundancia es otro factor crucial. Las fuentes de alimentación deben diseñarse pensando en la redundancia y, a menudo, incluyen fuentes de energía de reserva como baterías o generadores para garantizar un funcionamiento ininterrumpido en caso de cortes de suministro.
En comparación con las generaciones anteriores de redes inalámbricas, la implementación de la tecnología móvil 5G introduce varios cambios en los requisitos de los dispositivos de alimentación. Para que la 5G cumpla su promesa de ofrecer comunicaciones fiables, de alta velocidad y baja latencia, es necesario tener en cuenta algunos criterios.
Requisitos del amplificador de potencia
- Admite un amplio espectro de bandas de frecuencia, incluidas las frecuencias por debajo de 6 GHz y mmWave (ondas milimétricas), que presentan desafíos únicos para la propagación de señales.
- Admiten anchos de banda de señal más amplios y niveles de potencia más altos, además de proporcionar una amplificación lineal para evitar la distorsión de las señales de alta velocidad de datos.
- Funcionan de forma eficiente para minimizar el consumo de energía y la generación de calor, especialmente para dispositivos alimentados por batería y células pequeñas remotas.
- Incluyen un factor de forma ligero y compacto que puede encajar en gabinetes/recintos pequeños, como sitios de células pequeñas y equipos de usuario.
- Incorporan materiales y tecnologías avanzados, como dispositivos semiconductores fabricados con nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC) para proporcionar una mayor densidad de potencia, mejorar el rendimiento y aumentar las frecuencias de funcionamiento.
Requisitos de conversión de potencia
Por razones históricas, prácticas y técnicas, los sistemas de telecomunicaciones suelen utilizar una fuente de alimentación de -48 VCC. En caso de avería de la red u otra emergencia, las redes de telecomunicaciones necesitan fuentes de alimentación de reserva fiables. Comúnmente utilizadas para energía de reserva, las baterías de plomo-ácido también pueden funcionar a -48 VCC. El uso del mismo voltaje para la alimentación primaria y la de reserva facilita el diseño y el mantenimiento de los sistemas de reserva. Además, los voltajes más bajos, como -48 VCC, son más seguros para el personal que trabaja con equipos de telecomunicaciones, ya que reducen el riesgo de descargas eléctricas y lesiones.
Las fuentes de alimentación de los equipos de telecomunicaciones deben cumplir unos requisitos operativos específicos para garantizar su fiabilidad y eficacia. Estas son algunas especificaciones importantes:
- Rango de voltaje de entrada: La fuente de alimentación debe estar diseñada para tolerar un amplio rango de tensión de entrada.
- Regulación de voltaje: La fuente de alimentación debe proporcionar un voltaje de salida estable y regulado según los requisitos del equipo de telecomunicaciones.
- Alta eficiencia: Las fuentes de alimentación deben ser muy eficientes para reducir la pérdida de potencia y el consumo de energía. Las eficiencias de al menos el 90% son típicas.
- Redundancia: Para garantizar un funcionamiento ininterrumpido, las fuentes de alimentación suelen incluir características de redundancia como N+1, en la que se utiliza una fuente de alimentación adicional. Si uno falla, el otro puede asumir la carga.
- Intercambiable en caliente: En instalaciones de misión crítica, las fuentes de alimentación deben ser intercambiables en caliente, lo que garantiza un tiempo de inactividad mínimo durante la sustitución o el mantenimiento.
- Alta fiabilidad: La fuente de alimentación debe estar equipada con mecanismos de protección para evitar daños causados por condiciones de funcionamiento adversas, como sobrecorriente, sobretensión y cortocircuitos.
El convertidor directo de pinza activa
El convertidor directo de pinza activa (ACFC) es una configuración de convertidor CC/CC común en los sistemas de fuente de alimentación, y se utiliza principalmente para convertir -48 VCC a niveles de tensión positivos. El ACFC es un circuito de conversión de tensión que integra características del convertidor directo y del circuito de pinza activa para mejorar la eficiencia. Esta tecnología prevalece en los sistemas de fuente de alimentación para aparatos de telecomunicaciones y centros de datos.
El elemento central del ACFC es un transformador (Figura 1). El devanado principal del transformador recibe la tensión de entrada, lo que provoca la inducción de un voltaje en el devanado secundario. La tensión de salida del transformador viene determinada por su relación de vueltas.
El circuito de pinza activa, que incorpora interruptores semiconductores suplementarios y un condensador, regula y gobierna la energía contenida dentro de la inductancia de fuga del transformador. Cuando el interruptor primario está apagado, la energía almacenada en la inductancia de fuga se redirige al condensador de pinza, evitando así los picos de tensión. Esta práctica mitiga la tensión en el interruptor primario y mejora la eficacia operativa. La tensión del devanado secundario del transformador se rectifica mediante un diodo, y la tensión de salida se suaviza mediante un condensador de filtro de salida. Por último, ACFC funciona con conmutación suave, lo que significa que las transiciones de conmutación son más suaves y producen menos ruido. Así se reducen las interferencias electromagnéticas (EMI) y las pérdidas por conmutación.
Figura 1: Topología ACFC. (Fuente: Analog Devices)
El circuito ACFC reduce los picos de voltaje y la tensión en los componentes, lo que se traduce en una mejora de la eficiencia, especialmente a altas relaciones de voltaje de entrada y salida. Además, puede manejar un amplio rango de voltajes de entrada, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de telecomunicaciones y centros de datos con voltajes de entrada variables.
Las desventajas del circuito de pinza activa son las siguientes:
- Si no se limita a un valor máximo, un aumento del ciclo de trabajo puede provocar la saturación del transformador o una tensión adicional en el interruptor principal, lo que requiere un dimensionamiento preciso del capacitor de pinza.
- El ACFC es un convertidor CC-CC de una etapa. A medida que aumente el nivel de potencia, se incrementarán las ventajas de un diseño multifásico para aplicaciones de consumo intensivo, como las telecomunicaciones.
- Un diseño de pinza activa hacia delante no puede escalarse a una potencia de salida mayor y mantener un rendimiento similar.
Superar los límites del ACFC
El MAX15258 de Analog Devices es un controlador boost multifase de alto voltaje con interfaz digital I2C diseñado para aplicaciones industriales y de telecomunicaciones. El dispositivo presenta un amplio rango de voltaje de entrada de 8 V a 76 V para la configuración boost y de -8 V a -76 V para la configuración inversora elevador/reductor. El rango de voltaje de salida, de 3.3 V a 60 V, cubre los requisitos de diversas aplicaciones, incluidos los dispositivos de telecomunicaciones.
Una aplicación típica de este versátil CI es la fuente de alimentación de una macrocélula o femtocélula 5G, como se muestra en la figura 2. La función hot-swap está garantizada por un controlador hot-swap de tensión negativa, como el ADM1073 de ADI, alimentado por -48 VCC. El mismo voltaje alimenta el convertidor reductor/elevador MAX15258, que es capaz de proporcionar hasta 800 W de potencia de salida.
Figura 2: Diagrama de bloques de una etapa de fuente de alimentación para aplicaciones 5G. (Fuente: Analog Devices)
El MAX15258 está diseñado para admitir hasta dos controladores de MOSFET y cuatro MOSFET externos en configuraciones monofásicas o bifásicas elevador/inversor-reductor-elevador. También combina dos dispositivos para un funcionamiento trifásico o tetrafásico. Dispone de un desfasador de nivel FB interno de alta tensión para detectar diferencialmente la tensión de salida cuando se configura como convertidor reductor/elevador inversor. Mediante un pin/clavija de entrada de referencia dedicado o a través de una interfaz digital I2C, el voltaje de salida puede ajustarse dinámicamente.
Se puede utilizar una resistencia externa para ajustar el oscilador interno o sincronizar el regulador con un reloj externo para mantener una frecuencia de conmutación constante. Se admiten frecuencias de conmutación de 120 kHz a 1 MHz. El regulador también está protegido contra sobrecorriente, sobretensión de salida, subtensión de entrada y apagado térmico.
La resistencia en el pin/clavija OVP designa el número de fases al controlador. Esta identificación se utiliza para determinar cómo responde el controlador a la señal de reloj multifásico de la fase primaria. En un convertidor tetrafásico, las dos fases del controlador MAX15258 o del objetivo están entrelazadas en 180°, mientras que el desplazamiento de fase entre el controlador y el objetivo es de 90° (Figura 3).
Figura 3: Configuración tetrafásica: formas de onda del controlador y del objetivo. (Fuente: Analog Devices)
En operaciones multifásicas, el MAX15258 monitoriza la corriente del MOSFET de lado bajo para equilibrar la corriente de fase activa. Como realimentación, el desequilibrio de corriente se aplica al circuito de detección de corriente ciclo a ciclo para ayudar a regular la corriente de carga. De este modo se garantiza una distribución equitativa entre las dos fases. A diferencia de los diseños de convertidores directos, los diseñadores no necesitan tener en cuenta un posible desequilibrio de fase del 15% al 20% durante las etapas de cálculo del diseño cuando utilizan este CI.
En funcionamiento trifásico o tetrafásico, la corriente media por chip se transmite entre el controlador y el objetivo a través de conexiones diferenciales específicas. El regulador del modo de corriente y los dispositivos de destino regulan sus respectivas corrientes para que todas las fases compartan equitativamente la corriente de carga.
La fuente de alimentación buck-boost inversora entrelazada de cuatro fases que se muestra en la Figura 4 es adecuada para aplicaciones que requieren grandes cantidades de potencia. Las señales CSIO+ y CSIO- conectan los dos controladores, y los pines SYNC se conectan para asegurar la sincronización del reloj para el esquema de entrelazado de fases con fases coordinadas.
El MAX15258 es un convertidor elevador de baja frecuencia. Esto reduce la principal fuente de pérdida de potencia de los convertidores: las pérdidas por interruptores. Dado que cada convertidor funciona en su zona de bajas pérdidas a baja frecuencia, ofrece una elevada potencia de salida a una frecuencia total equivalente alta. Esto lo convierte en el dispositivo ideal para convertir -48 VCC.
Funcionando con un ciclo de trabajo o útil estable, obtiene una elevada potencia de salida con una eficiencia extremadamente alta. La Figura 5 muestra las curvas de eficiencia de un diseño de referencia MAX15258 de 800 A basado en un inductor acoplado para varias combinaciones de VIN y VOUT. Como resultado de la reducción de las pérdidas por conducción, los gráficos muestran claramente cifras de eficiencia superiores al 98%.
Figura 4: Eficiencia frente a la corriente de carga de salida de un diseño de referencia MAX15258 CL 800 W. (Fuente: Analog Devices)
Conclusión
Las fuentes de alimentación desempeñan un papel importante en el sector de las telecomunicaciones. Debido a su capacidad para alcanzar una alta eficiencia y minimizar las pérdidas de potencia, los convertidores activos de pinza hacia delante (ACFC) son los preferidos en los diseños de fuentes de alimentación para telecomunicaciones. Sin embargo, las limitaciones inherentes pueden dificultar su eficacia en circunstancias específicas. Para superar las limitaciones de los convertidores activos de pinza hacia delante, ha surgido una nueva generación de tecnologías de fuente de alimentación que ofrecen mayor eficiencia, mayor densidad de potencia y mecanismos de control simplificados. En el sector de las telecomunicaciones, estas novedosas soluciones allanan el camino hacia fuentes de alimentación más avanzadas y optimizadas.
Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/achieving-high-efficiency-in-telecom-power-supplies
