摘要

随着新的市场和应用程序不断涌现，对移动数据的需求正以惊人的速度增长。除了以更大的密度部署额外的蜂窝站点之外，没有其他解决方案。这些因素将直接影响到大蜂窝、小蜂窝和飞蜂窝产品的设计。r o现在是多频段的，功率放大器(PA)设计工程师正在将PA的输出功率推向更高的极限/水平。本文主要讨论系统中有几个pa的80w pa。1400w远程RRU (remote r o unit, RRU)平台已经很常见了。然而，网络运营商希望这些rru能够更节能、更可靠、更紧凑，因为它们可以增加覆盖密度。负载点(PoL)需要在宽输入电压和宽工作温度范围下工作，最重要的是它们必须具有成本效益。然而，对于需要500w或更高功率的应用，由于需要先进的控制方案来保持有源钳位和主开关门驱动之间的延迟时间，有源钳位正激变换器设计的二次电路中的磁设计和传导损耗已经变得难以管理。本文介绍了一种可扩展和可堆叠的-48 V(DC) PoL解决方案，该解决方案将解决这些高密度网络由于网络流量的巨大增长而产生的高密度电力使用情况。

介绍

电信和无线网络系统通常使用- 48v(直流)电源。由于直流电源更简单，因此可以通过使用电池而不需要逆变器来构建备用电源系统。直流电可以储存在电池中，这些电池可以在公用电源中断后继续工作一段时间。但是，- 48v (DC)必须首先有效地转换为正中间母线电压，然后才能升压为PA供电或降压为数字基带单元(BBU)提供正可用电源。一个容量在100w到350w的电源就足以满足许多应用。前向变换器是一个很好的选择，已经在电信BBUs和rru中使用了多年。随着移动数据需求的增长，新的市场和应用不断涌现。正激变换器现在面临着严峻的挑战，特别是当这些新设计的输出功率要求超过500w时。在本文中，我们提出了一种可堆叠和交错的多相高压逆变降压控制器，它将解决满足当今5G电信设备要求的所有要求/挑战。但首先，- 48v(直流)从何而来，为什么是负电位?

典型的电信直流电源系统

电信和无线网络通常使用- 48v (DC)电源，但为什么呢?简而言之，选择- 48v (DC)，也被称为正接地系统，是因为它提供足够的电力来支持电信信号，但在进行电信活动时对人体更安全。目前被安全法规和电气规范所接受的是，任何工作在50v (DC)或以下的电路都是安全的低压电路。另一个原因是- 48v (DC)允许电信运营商轻松使用串联的12v铅酸电池作为电网系统停电时的备用电源。负48v (DC)仍然是有线和无线通信设施的标准，因为它被认为比正电压对金属的腐蚀更小(或至少抑制电偶)。图1给出了一个典型的电信直流电源系统的简化图，重点介绍了如何创建和分配- 48v (DC)。电信直流电源系统通常包括国家电网系统、柴油发电机、自动交流自动转换开关(ATS)、配电系统、太阳能电池板或板、控制器和充电器、整流器、串联的备用电池以及相应的电缆和断路器。

当电网断电时，柴油发电机被设计为自动向直流端口系统提供交流电源。ATS将来自不同电源的电压同步到设备上。由于现场大多数电信设备需要直流电压供电，因此来自电网或柴油发电机的交流电源通过整流器转换为- 48v (DC)。这些冗余整流器用于将交流电源转换为- 48v (DC)电源，用于电池涓流充电以及支持关键负载。蓄电池为浮式，在整流器故障时为电信设备或其他负载提供- 48v (DC)电源。BTS或RRH不会注意到实际电源的差异，一切都保持正常运行。当电源恢复时，整流器再次接管。从本质上讲，整个发电厂就像一个大型不间断电源(UPS)。

正激变换器的局限性

现在我们了解了-48 V(DC)的来源，让我们讨论一种业界最常用的PoL拓扑结构，用于将-48 V(DC)转换为正电压。许多电信PoL设计人员使用有源钳位正激变换器来实现他们的倒降压升压设计。其他电路版本也使用推挽，半桥，或全桥转换器。其优点是大部分变压器泄漏能量通过其几乎无损的恢复方法被回收。对于PoL设计人员来说，首先了解主动钳位复位的基本时序是很重要的。事实上，钳位电容的尺寸不当可能导致PoL的占空比增加，这可能导致变压器饱和并对主开关造成长期可靠性影响。图2显示了一个传统的低侧变压器复位有源钳位正激变换器电路设计。变压器复位机构包括C(CLAMP)和Q1。

与有源箝位相关的一些缺点包括需要精确地确定箝位电容器的尺寸。较大的电容值导致较小的电压纹波，但会引入瞬态响应限制。有源钳位正向拓扑要求采用一种先进的控制技术来同步有源钳位与主开关门驱动之间的延时时间。与有源钳位相关的另一个缺点是，如果没有钳位到某个最大值，增加的占空比可能导致变压器饱和或主开关上的额外电压应力，这可能是灾难性的。最后，有源箝位正激变换器是单级dc - dc变换器。随着功率水平的提高，例如，5G系统中的800w设备正在成为标准，多相设计将为这些耗电应用展示更多优势。单相转换器失去了使用多相交错操作所带来的所有好处。此外，有源钳位正向设计不能与具有较低输出功率的设计具有相似的结果缩放到更高的输出功率。在下一节中，介绍了MAX15258 MAX15258反向降压升压转换器。图3显示了5G宏/ femto RRU板电源的典型高层框图。热插拔控制器几乎普遍放置在- 48v (DC)转换器的前面。全功能- 48v (DC)热插拔电源管理器的例子是ADM1073和LTC4284，它们非常适合这些应用。

强调了ICs

MAX15258是一款高压多相升压控制器，具有I(2)C数字接口，旨在支持多达两个MOSFET驱动器和四个外部MOSFET，用于单相或双相升压/反相降压升压配置。两个控制器可以堆叠为3相或4相配置。该装置以适当的相移来驱动相位，以获得最大的纹波消除。当配置为反相降压-升压转换器时，MAX15258有一个内部高压反馈电平移位器来差分检测输出电压。图4显示了交错两相倒置降压-升压实现的简化框图。

使用此IC，设计人员在设计计算步骤中不必考虑可能的(15%至20%)相位不平衡，因为他们应该考虑正激转换器设计。该控制器依靠固定频率的峰值电流模式架构，提供快速瞬态响应，以调节输出。控制回路的详细框图显示在设备的数据表中。该器件通过R(SENSE)监测每个相位的低侧MOSFET电流，并使用差分电流检测信号，以确保当两个MAX15258 ic堆叠在主机节点配置中时，适当的有源相位电流平衡行为。电流不平衡被应用到逐周期电流传感电路作为反馈，帮助调节，使负载电流在两相之间均匀共享。在三相或四相运行时，节点设备通过差分(CSIO+、CSIO -)信号将自身的平均电流传递给主机控制器。正是这种精确的电流平衡功能使MAX15258对PoL设计人员非常有吸引力。图5显示了4相交错倒压升压- 48v (IN)到+ 48v (OUT) 800w电源，CSIO+和CSIO -信号连接两个控制器。请注意，两个设备的SYNC引脚也连接，以确保协调相位交错方案的时钟同步。

同样，MAX15258基本上是一个运行在相对较低频率的升压转换器。这自然降低了开关损耗，这是这些转换器中功率损耗最重要的贡献者。该设备设计支持高达1mhz的开关频率。在多相操作中，各相并行运行，并且它们都以相同的频率运行(但交错)。总等效频率为N × frequency，其中N为相数，但损耗是每个转换器在频率上的损耗。交错实现导致输出电容看到的纹波电流的一些抵消。输入纹波电流大大降低，因此可以使用更小的输入电感器。专利耦合电感(CL)技术的使用也有助于衰减输出纹波电流，从而允许使用具有较低纹波电流额定值的更便宜的电容器。这导致效率的提高，同时减少整体的PoL PCB占地面积。从本质上讲，这提供了大量的输出功率，具有高等效总频率，但每个转换器在低频率下工作在低损耗区域。这是使MAX15258成为-48 V(DC)转换的领跑者解决方案的技巧。

有源钳位正向拓扑限制了实现占空比的能力，使某些V(IN)和V(OUT)组合工作变得具有挑战性。随着电信oem在同一平台上组合不同的频段，能够支持不同的PA输出电压范围已成为一项艰巨的要求。有源箝位正激变换器的输出功率有限。MAX15258满足IPC9592B引脚间隙或PCB导体间距要求，峰值电压高达56 V。IPC9592B标准提供了30v至~ 100v工作电压下PWB表面间隙的计算公式:间隙(mm) = 0.1 + V(PEAK) × 0.01(例如，56 V的情况下，高压引脚与其他引脚之间的间隙为0.66 mm)。

归根结底，有源箝位正激变换器需要太多复杂的步骤来保证变压器不饱和。然而，MAX15258自动逆变电压，以非常高的效率实现非常高的输出功率，具有出色的(更高的)占空比能力。这些特性支持可扩展和可堆叠(多达四相)的平台设计，提供灵活稳定的占空比控制，以适应宽V(IN)和V(OUT)范围。图6显示了基于耦合电感的MAX15258 800 W参考设计在不同V(IN)和V(OUT)选择下的效率曲线。图中清楚地显示，由于传导损耗较低，效率在98%或更高的范围内是同类最佳的。所有这些都以较低的BOM成本进行。

通过I(2)C数字接口，用户可以从MAX15258读取大量的遥测信息，包括V(IN)， V(OUT)，相电流和故障状态。

输出电压可通过数字接口动态设定。图7a给出了MAX15258 CL 800 W参考设计在-48 V(IN)和+48 V(OUT) (16 A IOUT)下稳态负载电流工作时的波德图。结果是74.4°相位裕度和-20.7 dB增益裕度。图7b为负荷暂态响应图。可以观察到，开关边缘非常干净，几乎没有超调和零振铃。

结论

网络运营商将不得不以前所未有的速度在更多的地方安装更多的小型基站。当然，这些产品中的pol必须非常高效，额定功率转换效率至少为98%。MAX15258高压逆变降压-升压控制器设计具有成本效益，效率高，可扩展，允许在同一PCB布局上轻松添加和移除相位。这些优点使电源转换器设计人员能够扩展电源转换效率。将继续应对这些和类似的挑战，开发更多专为5G市场设计的-48 V(DC)高功率转换解决方案，同时利用在电源架构方面的大量专业知识。