Korkean hyötysuhteen saavuttaminen tietoliikenteen virtalähteissä

Tietoliikennesektorista on tullut tärkeä osa modernia yhteiskuntaa ja maailmanlaajuista reaaliaikaista viestintää. Olipa kyse sitten puheluista, tekstiviesteistä tai verkkokomennoista, tietoliikennelaitteet takaavat luotettavat yhteydet. Kulissien takana toimiva virtalähde on kriittinen komponentti, johon kiinnitetään harvoin huomiota.

Tämä artikkeli keskittyy Analog Devices MAX15258-muuntimeen, joka on suunniteltu jopa kahden MOSFET-ohjaimen ja neljän ulkoisen MOSFET-transistorin käyttöön yksivaiheisessa tai kaksivaiheisessa jännitteenkorotuskonfiguraatiossa tai invertoivassa jännitteenalennus-jännitteenkorotuskonfiguraatiossa. Kaksi komponenttia voidaan yhdistää haluttaessa käyttää kolmea tai neljää vaihetta, mikä mahdollistaa korkeamman lähtötehon ja hyötysuhteen.

Kasvavan tehontarpeen täyttäminen

Tietoliikennealan tehontarve on kasvanut ajan mittaan teknisen kehityksen, lisääntyneen verkkoliikenteen ja tietoliikenneinfrastruktuurin laajentumisen myötä. Siirtyminen kolmannen sukupolven (3G) verkoista neljännen (4G) ja viidennen sukupolven (5G) verkkoihin on johtanut kehittyneisiin ja suuritehoisiin laitteisiin.

5G-teknologian käyttöönotto on vaikuttanut merkittävästi tukiasemien ja tukiasemamastojen tehovaatimuksiin. Erityisesti kaupunkialueilla sijaitsevat tukiasemat vaativat korkeampia tehotasoja, jotta ne voivat tukea korkeampaa antennien ja radioyksiköiden määrää, joita tarvitaan massiivisia MIMO (Multiple Input, Multiple Output) -konfiguraatioita ja säteenmuodostusta varten.

Redundanssi on toinen ratkaiseva tekijä. Virtalähteet on suunniteltava redundanssia ajatellen, ja niiden kanssa on usein käytettävä varavirtalähteitä, kuten akkuja tai generaattoreita, joilla voidaan varmistaa keskeytymätön toiminta sähkökatkosten aikana.

Aiempiin langattomien verkkojen sukupolviin verrattuna 5G-mobiiliviestintäteknologian käyttöönotto tuo useita muutoksia virtalaitteiden vaatimuksiin. Jotta 5G voisi lunastaa lupauksensa luotettavasta, huippunopeasta ja alhaisella latenssilla tapahtuvasta kommunikaatiosta, tiettyjen kriteerien tulee täyttyä.

Tehovahvistimiin kohdistuvat vaatimukset

• Tuki erilaisille taajuuskaistoille, mukaan lukien alle 6 GHz:n ja mmWave (millimetriaalto) -taajuudet, jotka asettavat ainutlaatuisia haasteita signaalin etenemiselle.
• Laajemman signaalikaistanleveyden ja korkeamman tehotason mahdollistaminen sekä lineaarinen vahvistus, joka estää signaalien vääristymisen korkealla tiedonsiirtonopeudella.
• Korkea hyötysuhde virrankulutuksen ja lämmöntuotannon minimoimiseksi, erityisesti akkukäyttöisissä laitteissa ja pienissä etäsoluissa.
• Kevyt paino sekä kompakti koko, joka mahtuu pieniin koteloihin, kuten piensolukohteisiin ja käyttäjälaitteisiin.
• Edistyksellisien materiaalien ja teknologioiden käyttö, kuten galliumnitridistä (GaN) ja piikarbidista (SiC) valmistetut puolijohdekomponentit, jotka mahdollistavat korkeamman tehotiheyden, paremman suorituskyvyn ja kasvavat toimintataajuudet.

Tehomuunnosvaatimukset

Tietoliikennejärjestelmissä käytetään historiallisista, käytännöllisistä ja teknisistä syistä johtuen yleensä -48 V_DC:n virtalähdettä. Tietoliikenneverkot tarvitsevat luotettavia varavirtalähteitä siltä varalta, että sähköverkkoon tulee toimintahäiriö tai sattuu muu hätätilanne. Yleisesti varavirtalähteenä käytettävät lyijyakut voivat toimia myös jännitteellä -48 V_DC. Saman jännitteen käyttäminen sekä pää- että varavirtana helpottaa varajärjestelmien suunnittelua ja ylläpitoa. Lisäksi alhaisemmat jännitteet, kuten -48 V_DC, ovat turvallisempia tietoliikennelaitteiden parissa työskentelevälle henkilöstölle vähentäen sähköiskun ja loukkaantumisen riskiä.

Tietoliikennelaitteiden virtalähteiden on täytettävä tietyt toimintavaatimukset luotettavuuden ja tehokkuuden takaamiseksi. Tässä on joitakin tärkeitä spesifikaatioita:

• Tulojännitealue: Virtalähde on suunniteltava laajalle tulojännitealueelle.
• Jännitteen regulointi: Virtalähteen täytyy tarjota vakaa ja tasainen lähtöjännite tietoliikennelaitteiden vaatimusten mukaisesti.
• Korkea hyötysuhde: Virtalähteiden täytyy olla erittäin tehokkaita tehohäviöiden ja energiankulutuksen vähentämiseksi. Vähintään 90 prosentin hyötysuhteet ovat tyypillisiä.
• Redundanssi: Virtalähteissä käytetään usein redundanssia, kuten N+1, jossa ylimääräinen virtalähde varmistaa keskeytymättömän toiminnan. Jos yksi virtalähde vikaantuu, toiminta voi jatkua toisella virtalähteellä.
• Vaihdettavuus käytön aikana: Tehtäväkriittisissä järjestelmissä virtalähteiden täytyy olla vaihdettavissa käytön aikana, jotta taataan minimaalinen seisokkiaika vaihdon tai huollon yhteydessä.
• Korkea luotettavuus: Virtalähteessä täytyy olla suojamekanismit, joilla estetään mm. ylivirran, ylijännitteen ja oikosulkujen aiheuttamat vahingot.

Aktiivirajoitettu myötäsuuntainen muunnin

Aktiivirajoitettu myötäsuuntainen muunnin (ACFC) on virtalähdejärjestelmissä yleinen DC/DC-muunninkonfiguraatio, ja sitä käytetään ensisijaisesti -48 V_DC:n muuntamiseen positiivisille jännitetasoille. ACFC on jännitemuunnospiiri, joka sisältää myötäsuuntaisen muuntimen ja aktiivirajoitetun piirin ominaisuudet hyötysuhteen parantamiseksi. Tämä teknologia on yleinen tietoliikenne- ja datakeskuslaitteiden virtalähdejärjestelmissä.

ACFC-teknologian keskeisenä elementtinä toimii muuntaja (kuva 1). Muuntajan pääkäämitykseen ohjataan syöttöjännite, jolloin toisiokäämitykseen indusoituu jännite. Muuntajan lähtöjännite määräytyy sen kierrossuhteen mukaan.

Aktiivirajoitettu piiri, joka sisältää ylimääräisiä puolijohdekytkimiä ja kondensaattorin, reguloi ja ohjaa muuntajan vuotoinduktanssin sisältämää energiaa. Kun primäärikytkin on katkaistu, vuotoinduktanssiin varastoitunut energia ohjataan rajoituskondensaattoriin, mikä estää jännitepiikit. Tämä käytäntö keventää primäärikytkimen rasitusta ja parantaa operationaalista tehokkuutta. Muuntajan toisiokäämityksen jännite tasasuunnataan diodilla, ja lähtöjännite tasoitetaan lähtösuodatinkondensaattorilla. Lisäksi ACFC-muunnin käyttää pehmeää kytkentää, mikä tarkoittaa, että kytkentäsiirtymät ovat tasaisempia ja tuottavat vähemmän kohinaa. Tämä vähentää sähkömagneettisia häiriöitä (EM) ja pienentää kytkentähäviöitä.

Kuva 1: ACFC-topologia. (Lähde: Analog Devices)

ACFC-piiri vähentää jännitepiikkejä ja komponentteihin kohdistuvaa rasitusta, mikä parantaa hyötysuhdetta erityisesti korkeilla tulo/lähtöjännitesuhteilla. Lisäksi sitä voidaan käyttää erilaisilla tulojännitteillä, joten se soveltuu sellaisiin tietoliikenne- ja datakeskussovelluksiin, joissa käytetään erilaisia tulojännitteitä.

Aktiivirajoitetulla piirillä on seuraavia heikkouksia:

• Jos sitä ei rajoiteta maksimiarvoon, pidempi käyttöjakso voi johtaa muuntajan kyllästymiseen tai pääkytkimen ylimääräiseen jänniterasitukseen. Tämä vaatii rajoituskondensaattorin tarkkaa mitoitusta.
• ACFC on yksivaiheinen DC-DC-muunnin. Tehon kasvaessa monivaiheratkaisun tarjoamat edut kasvavat tietoliikenteen kaltaisissa tehointensiivisissä sovelluksissa.
• Aktiivirajoitettua myötäsuuntaista ratkaisua ei voi skaalata korkeammalle lähtöteholle ilman suorituskyvyn heikkenemistä.

ACFC-muuntimen rajoitusten ratkaiseminen

Analog Devices MAX15258 on tietoliikenne- ja teollisuussovelluksiin suunniteltu korkeajännitteinen monivaiheinen jännitteenkorotusohjain, jossa on digitaalinen I²C-liitäntä. Laite tarjoaa laajan tulojännitealueen 8 V ... 76 V jännitteenkorotuskonfiguraatiossa ja -8 V ... -76 V invertoivassa jännitteenalennus-jännitteenkorotuskonfiguraatiossa. Lähtöjännitealue, 3,3 V ... 60 V, kattaa hyvin erilaisten sovellusten vaatimukset, mukaan lukien tietoliikennelaitteet.

Tämän monipuolisen mikropiirin tyypillinen sovellutus on kuvassa 2 esitetyn 5G-makrosolun tai femtosolun virtalähde. Vaihdettavuus käytön aikana varmistetaan negatiivisen jännitteen Hot-Swap-ohjaimella, kuten Analog Devices ADM1073, joka toimii -48 V_DC:n jännitteellä. Sama jännite voidaan syöttää MAX15258-jännitteenalennus-/jännitteenkorotusmuuntimeen, joka pystyy tuottamaan jopa 800 W:n lähtötehon.

Kuva 2: Lohkokaavio 5G-sovellusten virtalähteestä. (Lähde: Analog Devices)

MAX15258 on suunniteltu tukemaan enintään kahta MOSFET-ohjainta ja neljää ulkoista MOSFET-transistoria yksivaiheisissa tai kaksivaiheisissa jännitteenkorotuskonfiguraatioissa sekä invertoivissa jännitteenalennus-jännitteenkorotuskonfiguraatioissa. Siinä yhdistyy lisäksi kaksi komponenttia kolmi- tai nelivaiheista käyttöä varten. Siihen kuuluu sisäinen korkeajännitteinen FB-tasomuunnin lähtöjännitteen differentiaaliseen mittaukseen, kun se konfiguroidaan invertoivaksi jännitteenalennus-jännitteenkorotusmuuntimeksi. Lähtöjännite voidaan asettaa dynaamisesti dedikoidun referenssitulonastan tai I²C-digitaaliliitännän kautta.

Sisäisen oskillaattorin säätöön voidaan käyttää ulkoista vastusta, tai regulaattori voidaan synkronoida ulkoisella kellolla tasaisen kytkentätaajuuden ylläpitämiseksi. Laite tukee kytkentätaajuuksia 120 kHz – 1 MHz. Ohjain tarjoaa termisen katkaisun lisäksi myös suojauksen ylivirralta, lähdön ylijännitteeltä ja tulon alijännitteeltä.

OVP-nastassa oleva vastus määrittää vaiheiden määrän ohjaimelle. Tätä tunnistusta käytetään sen määrittämiseen, miten ohjain reagoi primäärivaiheen monivaiheiseen kellosignaaliin. Nelivaihemuuntimessa MAX15258-ohjaimen tai kohteen kaksi vaihetta lomittuvat toisiinsa 180°, kun taas ohjaimen ja kohteen välinen vaihesiirtymä on 90° (kuva 3).

Kuva 3: Nelivaihekonfiguraatio – ohjaimen ja kohteen aaltomuodot. (Lähde: Analog Devices)

Monivaihekäytössä MAX15258 seuraa alapuolen MOSFET-virtaa vaihevirran aktiivista tasapainotusta varten. Virran epätasapainoa käytetään takaisinkytkentänä syklittäisessä virranmittauspiirissä kuormitusvirran regulointia varten. Näin varmistetaan tasapuolinen jakautuminen kahden vaiheen välillä. Toisin kuin myötäsuuntaisissa muunninratkaisuissa, tätä mikropiiriä käytettäessä suunnittelijoiden ei tarvitse ottaa huomioon mahdollista 15–20 prosentin vaihe-epätasapainoa suunnitelman laskentavaiheessa.

Kolmivaihe- ja nelivaihekäytössä keskimääräinen sirukohtainen virta siirretään ohjaimen ja kohteen välillä dedikoitujen differentiaaliyhteyksien kautta. Virtatilaohjain ja kohdelaitteet säätävät omaa virtaansa siten, että kaikki vaiheet jakavat kuormitusvirran tasaisesti.

Kuvassa 4 esitetty nelivaiheinen lomitettu invertoiva jännitteenalennus-jännitteenkorotus-virtalähde sopii sovelluksiin, joissa tarvitaan paljon tehoa. Signaalit CSIO+ ja CSIO– yhdistävät kaksi ohjainta, ja SYNC-nastat kytketään yhteen mahdollistamaan vaiheiden lomitusjärjestelmän kellosynkronointi käytettäessä koordinoituja vaiheita.

Kuva 4: Nelivaiheinen invertoiva jännitteenalennus-jännitteenkorotusvirtalähde, jonka tulojännite on −48 V_IN, lähtöjännite +48 V_OUT ja teho 800 W. (Lähde: Analog Devices)

MAX15258 on matalataajuinen jännitteenkorotusmuunnin. Tämä ominaisuus vähentää muuntimen ensisijaista tehohäviöiden aiheuttajaa – kytkentähäviöitä. Koska kukin muunnin toimii matalalla taajuudella vähähäviöisellä alueella, tämä tarjoaa korkean lähtötehon korkealla ekvivalentilla kokonaistaajuudella. Se on siksi ihanteellinen komponentti -48 V_DC:n muuntoon.

Toiminta stabiililla käyttöjaksolla mahdollistaa korkean lähtötehon erittäin korkealla hyötysuhteella. Kuva 5 näyttää kytketyn induktoriin perustuvan MAX15258-muuntimen 800 W:n referenssimallin hyötysuhdekäyrät eri V_IN- ja V_OUT-kombinaatioilla. Koska johtumishäviöt ovat laskeneet, kuvaajat näyttävät selvästi yli 98 %:n hyötysuhdeluvut.

Kuva 5: MAX15258 CL -muuntimen 800 W:n referenssimallin hyötysuhde suhteessa lähtökuormitusvirtaan. (Lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Virtalähteillä on tärkeä rooli tietoliikenteessä. Koska aktiivirajoitetut myötäsuuntaiset muuntimet (ACFC) pystyvät saavuttamaan korkean hyötysuhteen ja minimoimaan tehohäviöt, niitä suositaan tietoliikenteen virtalähteiden suunnittelussa. Luontaiset rajoitukset voivat kuitenkin tietyissä olosuhteissa heikentää niiden tehokkuutta. Aktiivirajoitettujen myötäsuuntaisten muuntimien rajoitteiden ratkaisemiseksi on syntynyt uuden sukupolven virtalähdeteknologioita, jotka tarjoavat paremman hyötysuhteen, korkeamman tehotiheyden ja yksinkertaisemmat ohjausmekanismit. Tietoliikennealan uudet ratkaisut tasoittavat tietä kehittyneemmille ja korkeammin optimoiduille virtalähteille.