Ottenere un'efficienza elevata negli alimentatori per telecomunicazioni

Il settore delle telecomunicazioni è un elemento importante della società moderna e della comunicazione globale istantanea. Che si tratti di una telefonata, di un messaggio di testo o di un comando web, le apparecchiature di telecomunicazione garantiscono connessioni affidabili. L'alimentatore che lavora dietro le quinte è un componente essenziale e raramente viene riconosciuto.

Questo articolo si concentra sul modello MAX15258 di Analog Devices, progettato per ospitare fino a due driver MOSFET e quattro MOSFET esterni in configurazioni boost/invertente buck/boost monofase o bifase. È possibile combinare due dispositivi per un funzionamento trifase o quadrifase, ottenendo livelli di potenza di uscita ed efficienza più elevati.

Soddisfare l'esigenza di un aumento della domanda di energia

La domanda di energia nel settore delle telecomunicazioni è cresciuta nel tempo, spinta dagli sviluppi tecnologici, dall'aumento del traffico di rete e dall'espansione delle infrastrutture di telecomunicazione. La transizione dalle reti di terza generazione (3G) a quelle di quarta (4G) e quinta generazione (5G) ha portato ad apparecchiature avanzate e ad alta potenza.

La diffusione della tecnologia 5G ha avuto un impatto significativo sui requisiti di potenza delle stazioni base e delle torri cellulari. Le stazioni base, in particolare quelle nelle aree urbane, richiedono livelli di potenza superiori per supportare il maggior numero di antenne e unità radio necessarie per le configurazioni massicce MIMO (Multiple Input, Multiple Output) e la formazione del fascio.

La ridondanza è un altro fattore cruciale. Gli alimentatori devono essere progettati tenendo conto della ridondanza, spesso includendo fonti di alimentazione ausiliarie come batterie o generatori per garantire un funzionamento ininterrotto in caso di interruzioni di corrente.

Rispetto alle precedenti generazioni di reti wireless, la diffusione della tecnologia mobile 5G introduce diversi cambiamenti nei requisiti dei dispositivi di alimentazione. Affinché il 5G mantenga la sua promessa di comunicazioni affidabili, ad alta velocità e a bassa latenza, è necessario soddisfare alcuni criteri.

Requisiti dell'amplificatore di potenza

• Supportare un ampio spettro di bande di frequenza, comprese le frequenze inferiori a 6 GHz e mmWave (onde millimetriche), che presentano sfide uniche per la propagazione del segnale.
• Accettare larghezze di banda di segnale più ampie e livelli di potenza più elevati, oltre a fornire un'amplificazione lineare per evitare la distorsione dei segnali ad alta velocità di trasmissione dei dati.
• Operare in modo efficiente per ridurre al minimo il consumo energetico e la generazione di calore, soprattutto per i dispositivi alimentati a batteria e le piccole celle remote.
• Includere un fattore di forma leggero e compatto che può essere inserito in alloggiamenti compatti, come i siti di piccole celle e le apparecchiature degli utenti.
• Incorporare materiali e tecnologie avanzate, come i dispositivi semiconduttori al nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC), per fornire una maggiore densità di potenza, migliori prestazioni e frequenze operative più elevate.

Requisiti per la conversione di potenza

Per ragioni storiche, pratiche e tecniche, i sistemi di telecomunicazione utilizzano in genere un'alimentazione a -48 V_c.c.. In caso di malfunzionamento della rete o di altre emergenze, le reti di telecomunicazione necessitano di fonti di alimentazione ausiliaria affidabili. Comunemente utilizzate come riserva di energia, le batterie al piombo-acido possono funzionare anche a -48 V_c.c.. L'utilizzo della stessa tensione per l'alimentazione primaria e di riserva facilita la progettazione e la manutenzione dei sistemi ausiliari. Inoltre, tensioni più basse come -48 V_c.c. sono più sicure per il personale che lavora con le apparecchiature di telecomunicazione, riducendo il rischio di scosse elettriche e lesioni.

Gli alimentatori per le apparecchiature di telecomunicazione devono soddisfare requisiti operativi specifici per garantire affidabilità ed efficienza. Ecco alcune specifiche importanti:

• Intervallo della tensione di ingresso: l'alimentatore deve essere progettato per tollerare un ampio intervallo della tensione di ingresso.
• Regolazione della tensione: l'alimentatore deve fornire una tensione di uscita stabile e regolata in base ai requisiti delle apparecchiature di telecomunicazione.
• Alta efficienza: gli alimentatori devono essere altamente efficienti per ridurre le perdite di potenza e il consumo energetico. Le efficienze tipiche sono pari al 90% come minimo.
• Ridondanza: per garantire un funzionamento ininterrotto, gli alimentatori includono spesso funzioni di ridondanza, come N+1, in cui viene utilizzato un alimentatore aggiuntivo. Se uno dei due si guasta, l'altro può assumersi l'onere.
• Sostituzione a caldo: nelle installazioni mission-critical, gli alimentatori devono essere sostituibili a caldo, per garantire tempi di inattività minimi durante la sostituzione o la manutenzione.
• Alta affidabilità: l'alimentatore deve essere dotato di meccanismi di protezione per evitare danni causati da condizioni operative avverse, come sovracorrenti, sovratensioni e cortocircuiti.

Convertitore diretto con clamping attivo

Il convertitore diretto con clamping attivo (ACFC) è una configurazione di convertitore c.c./c.c. comune nei sistemi di alimentazione e viene utilizzato principalmente per convertire -48 V_c.c. in livelli di tensione positivi. L'ACFC è un circuito di conversione della tensione che, per migliorare l'efficienza, integra le caratteristiche del convertitore diretto e del circuito a clamping attivo. Questa tecnologia è prevalente nei sistemi di alimentazione per le apparecchiature di telecomunicazione e per i data center.

L'elemento centrale dell'ACFC è il trasformatore (Figura 1). L'avvolgimento principale del trasformatore riceve la tensione in ingresso, con conseguente induzione di una tensione nell'avvolgimento secondario. La tensione di uscita del trasformatore è determinata dal suo rapporto spire.

Il circuito a clamping attivo, che incorpora interruttori a semiconduttore supplementari e un condensatore, regola e governa l'energia contenuta nell'induttanza di dispersione del trasformatore. Quando l'interruttore primario è spento, l'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione viene reindirizzata al condensatore di clamping, evitando così picchi di tensione. Questa pratica riduce la pressione sull'interruttore primario e migliora l'efficacia operativa. La tensione proveniente dall'avvolgimento secondario del trasformatore viene raddrizzata da un diodo e la tensione di uscita viene attenuata da un condensatore di filtro di uscita. Infine, l'ACFC funziona in soft-switching, il che significa che le transizioni di commutazione sono più fluide e producono meno rumore. Ciò comporta una riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e delle perdite di commutazione.

Figura 1: La topologia dell'ACFC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il circuito ACFC riduce i picchi di tensione e le sollecitazioni sui componenti, migliorando l'efficienza, soprattutto con rapporti di tensione di ingresso/uscita elevati. Inoltre, è in grado di gestire un ampio intervallo delle tensioni di ingresso, rendendolo adatto alle applicazioni di telecomunicazioni e data center con tensioni di ingresso variabili.

Gli svantaggi del circuito di clamping attivo sono:

• Se non viene limitato a un valore massimo, un ciclo di lavoro più elevato può provocare la saturazione del trasformatore o sollecitare ulteriormente la tensione dell'interruttore principale, rendendo necessario un dimensionamento preciso del condensatore di clamping.
• L'ACFC è un convertitore c.c.-c.c. monostadio. Con l'aumento del livello di potenza, i vantaggi di un progetto multifase per le applicazioni ad alta intensità di potenza come le telecomunicazioni aumenteranno.
• Un convertitore diretto di clamping attivo non può essere scalato a una potenza di uscita superiore e mantenere prestazioni simili.

Superare i limiti dell'ACFC

MAX15258 di Analog Devices è un controller boost multifase ad alta tensione con interfaccia digitale I²C progettato per applicazioni industriali e di telecomunicazione. Il dispositivo presenta un ampio intervallo della tensione di ingresso, da 8 V a 76 V per la configurazione boost e da -8 V a -76 V per la configurazione buck/boost invertente. L'intervallo di tensione di uscita, da 3,3 V a 60 V, copre i requisiti di varie applicazioni, compresi i dispositivi di telecomunicazione.

Un'applicazione tipica di questo versatile CI è l'alimentazione di una macrocella o di una femtocella 5G, come mostra la Figura 2. La funzione di sostituzione a caldo è garantita da un controller a tensione negativa, come il modello ADM1073 di ADI, alimentato a -48 V_c.c.. La stessa tensione alimenta il convertitore buck/boost MAX15258, in grado di fornire fino a 800 W di potenza in uscita.

Figura 2: Schema a blocchi di uno stadio di alimentazione per applicazioni 5G. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

MAX15258 è progettato per supportare fino a due driver MOSFET e quattro MOSFET esterni in configurazioni boost/invertente buck/boost monofase o bifase. Inoltre, combina due dispositivi per un funzionamento trifase o quadrifase. È dotato di un traslatore di livello FB interno ad alta tensione per il rilevamento differenziato della tensione di uscita quando è configurato come convertitore invertente buck/boost. La tensione di uscita può essere impostata dinamicamente tramite un pin di ingresso di riferimento dedicato o un'interfaccia digitale I²C.

È possibile utilizzare un resistore esterno per regolare l'oscillatore interno oppure sincronizzare il regolatore con un clock esterno per mantenere costante la frequenza di commutazione. Sono supportate frequenze di commutazione da 120 kHz a 1 MHz. Il controller è inoltre protetto da sovracorrente, sovratensione di uscita, sottotensione di ingresso e arresto termico.

Il resistore sul pin OVP indica il numero di fasi al controller. Questa identificazione viene utilizzata per determinare la risposta del controller al segnale di clock multifase della fase primaria. In un convertitore quadrifase, le due fasi del controller MAX15258 o del target sono interlacciate di 180°, mentre lo sfasamento tra il controller e il target è di 90° (Figura 3).

Figura 3: Configurazione quadrifase - forme d'onda del controller e del target. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nel funzionamento multifase, MAX15258 monitora la corrente del MOSFET low-side per il bilanciamento attivo della corrente di fase. Come retroazione, lo squilibrio di corrente viene applicato al circuito di rilevamento della corrente ciclo per ciclo per aiutare a regolare la corrente di carico. In questo modo si garantisce una distribuzione equa tra le due fasi. A differenza dei convertitori diretti, con questo CI i progettisti non devono tener conto di un possibile squilibrio di fase del 15%-20% durante le fasi di calcolo del progetto.

Nel funzionamento trifase o quadrifase, la corrente media per chip viene trasmessa tra il controller e il target tramite connessioni differenziali dedicate. Il regolatore di corrente e i dispositivi target regolano le rispettive correnti in modo che tutte le fasi condividano equamente la corrente di carico.

L'alimentatore buck/boost invertente quadrifase interallacciato mostrato nella Figura 4 è adatto ad applicazioni che richiedono grandi quantità di potenza. I segnali CSIO+ e CSIO- collegano i due controller, mentre i pin SYNC sono collegati per assicurare la sincronizzazione del clock per lo schema di interleaving di fase con fasi coordinate.

Figura 4: Alimentatore buck/boost invertente quadrifase da -48 V_IN a +48 V_OUT da 800 W. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

MAX15258 è un convertitore boost a bassa frequenza. In questo modo si riduce la principale fonte di perdita di potenza dei convertitori: le perdite di commutazione. Poiché ogni convertitore funziona nella sua area a bassa perdita e a bassa frequenza, offre un'elevata potenza di uscita a un'alta frequenza totale equivalente. Questo lo rende il dispositivo ideale per la conversione di -48 V_c.c..

Funzionando con un ciclo di lavoro stabile, ottiene un'elevata potenza di uscita con un'efficienza estremamente elevata. La Figura 5 mostra le curve di efficienza di un progetto di riferimento MAX15258 da 800 W basato su induttori accoppiati per varie combinazioni di V_IN e V_OUT. Grazie alla riduzione delle perdite di conduzione, i grafici mostrano chiaramente valori di efficienza superiori al 98%.

Figura 5: Efficienza rispetto alla corrente di carico di uscita di un progetto di riferimento MAX15258 CL da 800 W. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

Gli alimentatori svolgono un ruolo importante nel settore delle telecomunicazioni. Grazie alla loro capacità di raggiungere un'elevata efficienza e di ridurre al minimo le perdite di potenza, i convertitori diretti con clamping attivo (ACFC) sono ideali nei progetti di alimentatori per telecomunicazioni. Tuttavia, le limitazioni intrinseche possono ostacolare la loro efficacia in circostanze specifiche. Per superare i limiti dei convertitori diretti con clamping attivo, è nata una nuova generazione di tecnologie di alimentazione con una maggiore efficienza, una maggiore densità di potenza e meccanismi di controllo semplificati. Nel settore delle telecomunicazioni, queste nuove soluzioni aprono la strada ad alimentatori più avanzati e ottimizzati.