Hochleistungs-Netzteile für die Telekommunikation

Der Telekommunikationssektor ist zu einem wichtigen Element der modernen Gesellschaft und der unmittelbaren globalen Kommunikation geworden. Ob Telefonanruf, SMS oder Webbefehl: Telekommunikationsgeräte sorgen für zuverlässige Verbindungen. Die im Hintergrund laufende Stromversorgung ist eine wesentliche Komponente, die selten wahrgenommen wird.

Dieser Artikel konzentriert sich auf den MAX15258 von Analog Devices, der für die Aufnahme von bis zu zwei MOSFET-Treibern und vier externen MOSFETs in einphasigen oder zweiphasigen Boost-/Inverter-Buckle-Boost-Konfigurationen ausgelegt ist. Es besteht die Möglichkeit, zwei Geräte für dreiphasigen oder vierphasigen Betrieb zu kombinieren und so eine höhere Ausgangsleistung und Effizienz zu erreichen.

Decken Sie den wachsenden Strombedarf ab

Der Energiebedarf im Telekommunikationssektor ist im Laufe der Zeit gestiegen, was auf den technologischen Fortschritt, den zunehmenden Netzwerkverkehr und den Ausbau der Telekommunikationsinfrastruktur zurückzuführen ist. Der Übergang von Netzwerken der dritten Generation (3G) zur vierten Generation (4G) und fünften Generation (5G) hat zu fortschrittlichen und leistungsstarken Geräten geführt.

Die Implementierung der 5G-Technologie hatte erhebliche Auswirkungen auf den Strombedarf von Basisstationen und Mobilfunkmasten. Basisstationen, insbesondere solche in städtischen Gebieten, benötigen höhere Leistungsniveaus, um die erhöhte Anzahl von Antennen und Funkeinheiten zu unterstützen, die für Massive-MIMO-Konfigurationen (Multiple Input, Multiple Output) und Beamforming erforderlich sind.

Redundanz ist ein weiterer entscheidender Faktor. Stromversorgungen müssen unter Berücksichtigung der Redundanz konzipiert werden und umfassen häufig Notstromquellen wie Batterien oder Generatoren, um bei Stromausfällen einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Im Vergleich zu früheren Generationen drahtloser Netzwerke führt die Implementierung der 5G-Mobilfunktechnologie zu mehreren Änderungen bei den Anforderungen an Stromversorgungsgeräte. Damit 5G sein Versprechen erfüllen kann, zuverlässige Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit und geringer Latenz anzubieten, müssen einige Kriterien berücksichtigt werden.

Anforderungen an den Leistungsverstärker

• Es unterstützt ein breites Spektrum an Frequenzbändern, einschließlich Frequenzen unter 6 GHz und mmWave (Millimeterwellen), die einzigartige Herausforderungen für die Signalausbreitung darstellen.
• Sie unterstützen größere Signalbandbreiten und höhere Leistungspegel und bieten eine lineare Verstärkung, um Verzerrungen bei Signalen mit hoher Datenrate zu verhindern.
• Sie arbeiten effizient, um den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung zu minimieren, insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten und entfernten Kleinzellen.
• Sie verfügen über einen leichten und kompakten Formfaktor, der in kleine Schränke/Gehäuse passt, wie z. B. kleine Zellenstandorte und Benutzergeräte.
• Sie nutzen fortschrittliche Materialien und Technologien wie Halbleiterbauelemente aus Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), um eine höhere Leistungsdichte zu erreichen, die Leistung zu verbessern und die Betriebsfrequenzen zu erhöhen.

Anforderungen an die Stromumwandlung

Aus historischen, praktischen und technischen Gründen verwenden Telekommunikationssysteme typischerweise eine -48-V-Stromversorgung_CC. Im Falle eines Netzwerkausfalls oder eines anderen Notfalls benötigen Telekommunikationsnetze eine zuverlässige Notstromversorgung. Blei-Säure-Batterien werden üblicherweise zur Notstromversorgung verwendet und können auch bei -48 V betrieben werden_CC. Die Verwendung der gleichen Spannung für Primär- und Standby-Stromversorgung erleichtert den Entwurf und die Wartung von Standby-Systemen. Zusätzlich niedrigere Spannungen, z. B. -48 V_CC, sind sicherer für das Personal, das mit Telekommunikationsgeräten arbeitet, und verringern das Risiko von Stromschlägen und Verletzungen.

Stromversorgungen für Telekommunikationsgeräte müssen bestimmte Betriebsanforderungen erfüllen, um Zuverlässigkeit und Effizienz zu gewährleisten. Hier einige wichtige Spezifikationen:

• Eingangsspannungsbereich: Das Netzteil muss für einen weiten Eingangsspannungsbereich ausgelegt sein.
• Spannungsregelung: Das Netzteil muss eine stabile und geregelte Ausgangsspannung entsprechend den Anforderungen der Telekommunikationsausrüstung liefern.
• Hohe Effizienz: Netzteile müssen hocheffizient sein, um Leistungsverluste und Energieverbrauch zu reduzieren. Typisch sind Wirkungsgrade von mindestens 90 %.
• Redundanz: Um einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten, verfügen Netzteile häufig über Redundanzfunktionen wie N+1, bei denen ein zusätzliches Netzteil verwendet wird. Wenn einer ausfällt, kann der andere übernehmen.
• Hot-Swap-fähig: In geschäftskritischen Installationen müssen Netzteile Hot-Swap-fähig sein, um minimale Ausfallzeiten beim Austausch oder bei der Wartung zu gewährleisten.
• Hohe Zuverlässigkeit: Das Netzteil muss mit Schutzmechanismen ausgestattet sein, um Schäden durch widrige Betriebsbedingungen wie Überstrom, Überspannung und Kurzschlüsse zu verhindern.

Der direkt aktive Klemmwandler

Der Active Clamp-on Forward Converter (ACFC) ist eine gängige DC/DC-Wandlerkonfiguration in Stromversorgungssystemen und wird hauptsächlich zur Umwandlung von -48 V verwendet_CC bei positiven Spannungsniveaus. Der ACFC ist ein Spannungsumwandlungsschaltkreis, der die Funktionen des Vorwärtswandlers und des aktiven Klemmschaltkreises integriert, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Diese Technologie ist in Stromversorgungssystemen für Telekommunikationsgeräte und Rechenzentren weit verbreitet.

Das zentrale Element des ACFC ist ein Transformator (Abbildung 1). Die Primärwicklung des Transformators empfängt die Eingangsspannung, die zur Induktion einer Spannung in der Sekundärwicklung führt. Die Ausgangsspannung des Transformators wird durch sein Windungsverhältnis bestimmt.

Die aktive Klemmschaltung mit zusätzlichen Halbleiterschaltern und einem Kondensator regelt und regelt die in der Streuinduktivität des Transformators enthaltene Energie. Wenn der Primärschalter ausgeschaltet ist, wird die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie zum Klemmkondensator umgeleitet und verhindert so Spannungsspitzen. Diese Vorgehensweise verringert die Belastung des Primärschalters und verbessert die Betriebseffizienz. Die Sekundärwicklungsspannung des Transformators wird durch eine Diode gleichgerichtet und die Ausgangsspannung wird durch einen Ausgangsfilterkondensator geglättet. Schließlich arbeitet ACFC mit sanftem Schalten, was bedeutet, dass Schaltübergänge sanfter sind und weniger Rauschen erzeugen. Dadurch werden elektromagnetische Störungen (EMI) und Schaltverluste reduziert.

Abbildung 1: ACFC-Topologie. (Quelle: Analog Devices)

Die ACFC-Schaltung reduziert Spannungsspitzen und die Belastung der Komponenten, was zu einer verbesserten Effizienz führt, insbesondere bei hohen Eingangs-Ausgangsspannungsverhältnissen. Darüber hinaus kann es ein breites Spektrum an Eingangsspannungen verarbeiten und eignet sich daher für Telekommunikations- und Rechenzentrumsanwendungen mit variablen Eingangsspannungen.

Die Nachteile der aktiven Klemmschaltung sind folgende:

• Wenn die Einschaltdauer nicht auf einen Maximalwert begrenzt wird, kann eine Erhöhung des Arbeitszyklus zu einer Sättigung des Transformators oder einer zusätzlichen Belastung des Hauptschalters führen, was eine genaue Dimensionierung des Klemmkondensators erfordert.
• Der ACFC ist ein einstufiger DC-DC-Wandler. Mit steigendem Leistungsniveau werden die Vorteile eines mehrphasigen Designs für stromintensive Anwendungen wie die Telekommunikation zunehmen.
• Ein Vorwärts-Aktivklemmen-Design kann nicht auf eine höhere Leistungsabgabe skaliert und eine ähnliche Leistung aufrechterhalten werden.

Überschreiten Sie die Grenzwerte des ACFC

Der MAX15258 von Analog Devices ist ein Hochspannungs-Mehrphasen-Boost-Controller mit digitaler Schnittstelle I²C für Industrie- und Telekommunikationsanwendungen konzipiert. Das Gerät verfügt über einen großen Eingangsspannungsbereich von 8 V bis 76 V für die Boost-Konfiguration und -8 V bis -76 V für die Boost/Buckle-Wechselrichterkonfiguration. Der Ausgangsspannungsbereich von 3.3 V bis 60 V deckt die Anforderungen verschiedener Anwendungen, einschließlich Telekommunikationsgeräten, ab.

Eine typische Anwendung dieses vielseitigen ICs ist die Stromversorgung einer 5G-Makrozelle oder Femtozelle, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Hot-Swap-Funktion wird durch einen Negativspannungs-Hot-Swap-Controller wie den ADM1073 von ADI sichergestellt, der mit -48 V betrieben wird_CC. Die gleiche Spannung versorgt den Abwärts-/Aufwärtswandler MAX15258, der eine Ausgangsleistung von bis zu 800 W liefern kann.

Abbildung 2: Blockschaltbild einer Stromversorgungsstufe für 5G-Anwendungen. (Quelle: Analog Devices)

Der MAX15258 ist für die Unterstützung von bis zu zwei MOSFET-Treibern und vier externen MOSFETs in einphasigen oder zweiphasigen Boost/Invert-Buck-Boost-Konfigurationen ausgelegt. Außerdem kombiniert es zwei Geräte für den dreiphasigen oder vierphasigen Betrieb. Er verfügt über einen internen Hochspannungs-FB-Pegelumsetzer zur differenziellen Erkennung der Ausgangsspannung, wenn er als Wechselrichter-Abwärts-/Aufwärtswandler konfiguriert ist. Über einen dedizierten Referenzeingangspin/-buchse oder über eine digitale Schnittstelle I²C kann die Ausgangsspannung dynamisch angepasst werden.

Ein externer Widerstand kann verwendet werden, um den internen Oszillator abzustimmen oder den Regler mit einem externen Takt zu synchronisieren, um eine konstante Schaltfrequenz aufrechtzuerhalten. Es werden Schaltfrequenzen von 120 kHz bis 1 MHz unterstützt. Der Regler ist außerdem gegen Überstrom, Ausgangsüberspannung, Eingangsunterspannung und thermische Abschaltung geschützt.

Der Widerstand am OVP-Pin/Pin gibt die Anzahl der Phasen zum Controller an. Diese Identifikation wird verwendet, um zu bestimmen, wie der Controller auf das mehrphasige Taktsignal von der Primärphase reagiert. Bei einem Vierphasenwandler sind die beiden Phasen des MAX15258-Treibers oder des Ziels um 180° verschachtelt, während die Phasenverschiebung zwischen Treiber und Ziel 90° beträgt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Vierphasenkonfiguration: Treiber- und Zielwellenformen. (Quelle: Analog Devices)

Im Mehrphasenbetrieb überwacht der MAX15258 den Low-Side-MOSFET-Strom, um den aktiven Phasenstrom auszugleichen. Als Rückmeldung wird Zyklus für Zyklus ein Stromungleichgewicht auf die Stromerfassungsschaltung angewendet, um die Regulierung des Ladestroms zu unterstützen. Dadurch ist eine gerechte Verteilung zwischen den beiden Phasen gewährleistet. Im Gegensatz zu Direktwandler-Designs müssen Entwickler beim Einsatz dieses ICs während der Entwurfsberechnungsphase kein mögliches Phasenungleichgewicht von 15 bis 20 % berücksichtigen.

Im Dreiphasen- oder Vierphasenbetrieb wird der durchschnittliche Strom pro Chip über spezielle Differenzialverbindungen zwischen Treiber und Ziel übertragen. Der Strommodusregler und die Zielgeräte regeln ihre jeweiligen Ströme so, dass alle Phasen den Laststrom gleichmäßig teilen.

Das in Abbildung 4 dargestellte vierphasige, invertierende Buck-Boost-Netzteil eignet sich für Anwendungen, die große Leistungsmengen erfordern. Die CSIO+- und CSIO--Signale verbinden die beiden Controller, und die SYNC-Pins sind verbunden, um die Taktsynchronisation für das phasenkoordinierte Phasenverschachtelungsschema sicherzustellen.

Der MAX15258 ist ein Niederfrequenz-Aufwärtswandler. Dadurch wird die Hauptursache für Leistungsverluste in Umrichtern reduziert: Schaltverluste. Da jeder Wandler in seiner verlustarmen Zone bei niedriger Frequenz arbeitet, liefert er eine hohe Ausgangsleistung bei einer hohen äquivalenten Gesamtfrequenz. Damit ist es das ideale Gerät zur Umwandlung von -48 V_CC.

Er arbeitet mit einem stabilen Arbeitszyklus und erzielt eine hohe Ausgangsleistung bei extrem hohem Wirkungsgrad. Abbildung 5 zeigt die Effizienzkurven eines 15258-A-MAX800-Referenzdesigns basierend auf einer gekoppelten Induktivität für verschiedene V-Kombinationen._IN y V._OUT. Aufgrund der reduzierten Leitungsverluste zeigen die Diagramme deutlich Effizienzwerte von über 98 %.

Abbildung 4: Wirkungsgrad im Verhältnis zum Ausgangslaststrom eines MAX15258 CL 800 W-Referenzdesigns (Quelle: Analog Devices).

Fazit

Stromversorgungen spielen im Telekommunikationsbereich eine wichtige Rolle. Aufgrund ihrer Fähigkeit, einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen und Leistungsverluste zu minimieren, werden aktive Vorwärtsklemmenwandler (ACFCs) in Stromversorgungsdesigns für die Telekommunikation bevorzugt. Unter bestimmten Umständen können jedoch inhärente Einschränkungen die Wirksamkeit beeinträchtigen. Um die Einschränkungen aktiver Klemmwandler zu überwinden, ist eine neue Generation von Stromversorgungstechnologien entstanden, die einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Leistungsdichte und vereinfachte Steuerungsmechanismen bieten. Im Telekommunikationsbereich ebnen diese innovativen Lösungen den Weg zu fortschrittlicheren und optimierten Stromversorgungen.

Quelle: https://www.digikey.es/es/articles/achieving-high-efficiency-in-telecom-power-supplies