罗尔夫·霍恩

　　电信部门已成为现代社会和即时全球通信的重要组成部分。无论是电话、短信还是网络命令，电信设备都能确保可靠的连接。幕后运行的电源是一个很少被人认识到的重要组件。

　　本文重点介绍Analog Devices 的 MAX15258，该器件设计用于在单相或双相升压/反相降压升压配置中容纳最多两个 MOSFET 驱动器和四个外部 MOSFET。可以将两个设备组合起来进行三相或四相操作，从而实现更高的输出功率和效率水平。

　　满足不断增长的电力需求

　　在技术发展、网络流量增加和电信基础设施扩张的推动下，电信行业的电力需求随着时间的推移而不断增长。从第三代(3G)到第四代(4G)和第五代(5G)网络的过渡催生了先进的高功率设备。

　　5G技术的部署对基站和蜂窝塔的功率需求产生了重大影响。基站，特别是城市地区的基站，需要更高的功率水平来支持大规模 MIMO(多输入、多输出)配置和波束成形所需的更多天线和无线电单元。

　　冗余是另一个关键因素。电源的设计必须考虑到冗余，通常包括电池或发电机等备用电源，以确保停电时不间断运行。

　　与前几代无线网络相比，5G 移动技术的部署对电源器件要求带来了一些变化。为了让 5G 兑现可靠、高速和低延迟通信的承诺，必须满足一些标准。

　　功率放大器要求

　　支持广泛的频段，包括 6 GHz 以下和毫米波(毫米波)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，最大限度地减少功耗和热量产生，特别是对于电池供电的设备和远程小型基站。

　　包括轻质、紧凑的外形，可以安装到小型外壳中，例如小型蜂窝基站和用户设备。

　　结合先进的材料和技术，例如由氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 制成的半导体器件，以提供更高的功率密度、增强的性能和更高的工作频率。

　　电源转换要求

　　由于历史、实际和技术原因，电信系统通常使用 -48 V直流电源。如果发生电网故障或其他紧急情况，电信网络需要可靠的备用电源。铅酸电池通常用于备用电源，也可以在 -48 V直流电压下运行。主电源和备用电源使用相同的电压可以更轻松地设计和维护备用系统。此外，-48 V DC等较低电压对于使用电信设备的人员来说更加安全，从而降低了触电和受伤的风险。

　　电信设备的电源必须满足特定的操作要求，以确保可靠性和效率。以下是一些重要的规格：

　　输入电压范围：电源的设计应能够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且稳定的输出电压。

　　高效率：电源应高效，以减少功率损耗和能源消耗。通常效率至少为 90%。

　　冗余：为了确保不间断运行，电源通常包含冗余功能，例如使用附加电源的 N+1。如果其中一方失败，另一方可以承担责任。

　　可热插拔：在关键任务安装中，电源应可热插拔，以确保更换或维护期间的停机时间最短。

　　高可靠性：电源应配备保护机制，避免因过流、过压、短路等不良工作条件而造成损坏。

　　有源钳位正激转换器

　　有源钳位正向转换器 (ACFC) 是电源系统中常见的 DC/DC 转换器配置，主要用于将 -48 V DC转换为正电压电平。 ACFC是一种电压转换电路，集成了正激转换器和有源钳位电路的特性以提高效率。该技术在电信和数据中心设备的供电系统中很普遍。

　　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，从而在次级绕组中感应出电压。变压器的输出电压由其匝数比决定。

　　有源钳位电路包含辅助半导体开关和电容器，可调节和控制变压器漏感内包含的能量。当主开关关闭时，存储在漏感中的能量被重定向到钳位电容器，从而防止电压尖峰。这种做法减轻了主开关的压力并提高了运行效率。来自变压器次级绕组的电压通过二极管进行整流，输出电压通过输出滤波电容器进行平滑。最后，ACFC 采用软开关运行，这意味着开关转换更加平滑并且产生的噪声更少。这样可以减少电磁干扰 (EMI) 并降低开关损耗。

　　图 1：ACFC 拓扑。 (来源：ADI)

　　ACFC 电路减少了电压尖峰和元件压力，从而提高了效率，尤其是在高输入输出电压比的情况下。此外，它可以处理宽范围的输入电压，使其适合具有不同输入电压的电信和数据中心应用。

　　有源钳位电路的缺点包括：

　　如果不限制在最大值，则增加的占空比可能会导致变压器饱和或主开关上的额外电压应力，从而需要精确确定钳位电容器的尺寸。

　　ACFC 是一种单级 DC-DC 转换器。随着功率水平的提高，多相设计对于电信等功率密集型应用的优势将会增加。

　　有源钳位正向设计无法扩展到更高的输出功率并保持相似的性能。

　　克服 ACFC 的限制

　　Analog Devices 的 MAX15258 是一款高压多相升压控制器，具有 I 2 C 数字接口，专为电信和工业应用而设计。该器件的升压配置输入电压范围为 8V 至 76V，反相降压/升压配置输入电压范围为 -8V 至 -76V。输出电压范围为 3.3 V 至 60 V，可满足包括电信设备在内的各种应用的要求。

　　这种多功能 IC 的典型应用是图 2 所示的 5G 宏蜂窝或毫微微蜂窝的电源。热插拔功能由负电压热插拔控制器确保，例如 ADI 的 ADM1073，由 -48 V DC供电。同样的电压为 MAX15258 降压/升压转换器供电，该转换器能够提供高达 800 W 的输出功率。

　　图 2：5G 应用电源级框图。 (来源：ADI)

　　MAX15258设计用于在升压/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。它还结合了两个设备以进行三相或四相操作。它具有一个内部高压 FB 电平转换器，用于在配置为反相降压-升压转换器时差分感测输出电压。通过专用参考输入引脚或通过 I 2 C 数字接口，可以动态设置输出电压。

　　外部电阻器可用于调节内部振荡器，或者调节器可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。

　　OVP 引脚上的电阻指定控制器的相数。该标识用于确定控制器如何响应主相的多相时钟信号。在四相转换器中，MAX15258 控制器或目标的两相交错 180°，而控制器和目标之间的相移为 90°(图 3)。

　　图 3：四相配置 - 控制器和目标波形。 (来源：ADI)

　　在多相操作中，MAX15258监控低侧MOSFET电流，以实现有源相电流平衡。作为反馈，电流不平衡被施加到逐周期电流感测电路，以帮助调节负载电流。这样做可以确保两个阶段之间的公平分配。与正激转换器设计不同，设计人员在使用该 IC 时无需在设计计算阶段考虑可能的 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，以便所有相公平地共享负载电流。

　　图 4 所示的四相交错反相降压-升压电源适用于需要大量功率的应用。 CSIO+ 和 CSIO– 信号连接两个控制器，连接 SYNC 引脚以确保具有协调相位的相位交错方案的时钟同步。

　　图 4：四相反相降压-升压 -48 V输入至 +48 V输出800 W 电源。 (来源：ADI)

　　MAX15258是一款低频升压转换器。这减少了转换器的主要功率损耗来源——开关损耗。由于每个转换器在低频下在其低损耗区域运行，因此可以在高等效总频率下提供高输出功率。这使其成为转换 -48 V DC的首选设备。

　　以稳定的占空比运行，可获得高输出功率和极高的效率。图5显示了基于耦合电感器的MAX15258 800 W参考设计在V IN和V OUT的各种组合下的效率曲线。由于传导损耗减少，这些图清楚地显示了超过 98% 的效率数字。

　　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：ADI)

　　结论

　　电源在电信行业中发挥着重要作用。由于有源钳位正向转换器 (ACFC) 能够实现高效率并最大限度地减少功率损耗，因此在电信电源设计中受到青睐。然而，固有的局限性可能会阻碍它们在特定情况下的功效。为了克服有源钳位正激转换器的局限性，新一代电源技术应运而生，它具有更高的效率、更高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更先进和优化的电源铺平了道路。