達到高效率的電信電源供應器

電信產業已經成為現代社會和全球即時通訊中很重要的一環。無論是打電話、簡訊還是 Web 命令，都要運用電信設備確保可靠的連線。電源供應器是其中的幕後功臣，但其關鍵作用卻少受重視。

本文將重點介紹 Analog Devices 的 MAX15258，該產品在單相或雙相增壓／反相升降壓配置中，最多可支援兩個 MOSFET 驅動器和四個外部 MOSFET。還可以將兩個元件組合起來進行三相或四相操作，達到更高的輸出功率和效率等級。

滿足不斷增加的電力需求

由於技術發展、網路流量增加、電信基礎設施擴充，電信產業的電力需求隨著不斷增加。從第三代 (3G) 過渡到第四代 (4G) 和第五代 (5G) 網路，這個過程造就先進的高功率設備。

5G 技術的部署對基地台和行動訊號塔的電力要求，產生重大影響。基地台 (尤其是都會區基地台) 需要更高的功率等級來支援大量增加的天線和無線電單元數量，以滿足大量多輸入多輸出 (MIMO) 配置和波束成形的需求。

備援是另一項關鍵因素。在設計電源供應器時必須考慮到備援性，通常包括備用電源 (如電池或發電機)，以確保在斷電時仍可不間斷地執行。

與前幾代的無線網路相比，5G 行動技術的部署對功率元件的要求，帶來一些變化。為了達到 5G 可靠的高速和低延遲通訊，必須滿足某些標準。

功率放大器要求

• 支援廣泛頻段，包括低於 6 GHz 和 mmWave (毫米波) 的頻率，這會對訊號傳播帶來獨特挑戰。
• 支援更寬廣的訊號頻寬和更高的功率等級，並提供線性放大功能，可防止高數據傳輸率訊號失真。
• 高效率運作，將功耗和熱生成降至最低，尤其是電池供電的裝置和遠端小型基地台。
• 輕便小巧的外形，可安裝在小型外殼中 (例如小型基地台和使用者設備)。
• 採用先進的材料和技術 (例如以氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 製成的半導體元件)，以提供更高的功率密度、加強的效能和更高的工作頻率。

電力轉換要求

由於歷史、實務和技術等因素，電信系統通常會採用 -48 V_DC 的電源供應器。發生電網故障或其他緊急情況時，電信網路需要可靠的備用電源。鉛酸電池常用做備用電源，也可以在 -48 V_DC 下運作。若主電源和備用電源使用相同的電壓，便可以更輕鬆設計並維護備用系統。此外，較低電壓 (例如 -48 V_DC) 對電信設備使用人員而言更安全，較不會受到電擊和傷害。

電信設備的電源供應器必須滿足特定的操作要求，以確保其可靠性和效率。以下是一些重要的規格：

• 輸入電壓範圍：電源供應器的設計應能承受寬廣的輸入電壓範圍。
• 電壓調節：電源供應器必須根據電信設備要求，提供穩定和經調節的輸出電壓。
• 高效率：電源供應器應該具備高效率，以減少功率損耗和能源消耗。典型的效率至少為 90%。
• 備援：為確保運作不間斷，電源供應器經常包括備援功能，例如使用額外電源時的 N+1 備援模式。如果一個失效，另一個可以承接負荷。
• 熱抽換式：在關鍵任務型安裝中，電源供應器應該是熱抽換式，以確保在更換或維護期間，其停機時間最短。
• 高可靠度：電源供應器應配備保護機制，以避免因工作條件不良 (例如過電流、過電壓和短路) 所造成的損壞。

主動箝位順向轉換器

主動箝位順向轉換器 (ACFC) 是電源供應器系統中常見的 DC/DC 轉換器配置，主要用於將 -48 V_DC 轉換為正電壓位準。ACFC 是一種電壓轉換電路，可以整合順向轉換器和主動箝位電路的特性，藉以提高效率。此技術普遍用於電信和資料中心設備的電源系統中。

ACFC 的中心元件是變壓器 (圖 1)。變壓器的主繞組會接收輸入電壓，在二次繞組產生感應電壓。變壓器的輸出電壓由其匝數比所決定。

主動箝位電路包含輔助半導體開關和電容，可用來調節並管理變壓器洩漏電感內所含的能量。主開關關閉時，儲存在洩漏電感中的能量，將被重新定向至箝位電容，因而防止電壓尖波。這種做法可以減輕主開關的壓力，並提高運作效率。變壓器二次繞組的電壓由二極體整流，輸出電壓由輸出濾波器電容修勻。最後，ACFC 使用軟切換操作，使切換的轉換更為平順，產生的雜訊更少。可減少電磁干擾 (EMI) 並降低切換損耗。

圖 1：ACFC 拓撲。(來源：Analog Devices)

ACFC 電路可降低元件上的電壓尖波和電壓應力，進而提高效率，尤其是在輸入輸出電壓比較高的情況下。此外，此電路可以處理廣泛的輸入電壓，使其適合具有不同輸入電壓的電信和資料中心相關應用。

主動箝位電路的缺點包括：

• 如果沒有最大值的限制，增加工作週期會導致變壓器飽和，或主開關上額外的電壓應力，因此必須精確調整箝位電容的尺寸。
• ACFC 是單級的 DC/DC 轉換器。隨著功率等級上升，多相設計對於電力密集型應用 (如電信) 的優勢將會隨之增加。
• 主動箝位順向設計調整為更高的輸出功率時，無法維持相似的效能。

克服 ACFC 的限制

Analog Devices 的 MAX15258 是一款高電壓多相升壓控制器，具有 I²C 數位介面，是專為電信和工業應用而設計。此元件具有 8 V 至 76 V 的寬廣輸入電壓範圍 (用於升壓配置) 和 -8 V 至 -76 V 的範圍 (用於反相降壓／升壓配置)。輸出電壓範圍為 3.3 V 至 60 V，可滿足各種應用的要求 (包括電信裝置)。

如圖 2 所示，此種多功能 IC 的典型應用包含適用於 5G 大型基地台或家用微型基地台的電源供應器。ADI 的 ADM1073 (由 -48 V_DC 供電) 的負電壓熱抽換式控制器，可確保提供這種熱抽換功能。相同的電壓會供電給 MAX15258 降壓／升壓轉換器，提供高達 800 W 的輸出功率。

圖 2：5G 應用的電源供應器級方塊圖。(來源：Analog Devices)

MAX15258 可在升壓／反相升降壓單相或雙相配置中，支援最多達兩個 MOSFET 驅動器和四個外部 MOSFET。本產品還結合兩個元件，可用於三相或四相操作。還具備一個內部高電壓 FB 位準移位器，可在反相升降壓轉換器配置時，進行輸出電壓的差動感測。透過專用參考輸入引腳或 I²C 數位介面，可以動態設定輸出電壓。

外部電阻可用於調整內部振盪器，或將穩壓器與外部時脈同步，以保持恆定的切換頻率。支援 120 kHz 至 1 MHz 的頻率切換。控制器還可防止過電流、輸出過電壓、輸入欠壓和熱關斷。

OVP 引腳處的電阻會指定控制器的相位數。此標識用來確定控制器如何回應主相位的多相時脈訊號。在四相轉換器中，MAX15258 控制器或目標裝置的兩個相位，有 180° 的交錯，而控制器和目標裝置之間的相移為 90° (圖 3)。

圖 3：四相配置 - 控制器和目標裝置波形。(來源：Analog Devices)

在多相操作中，MAX15258 將監控低側 MOSFET 電流，以達到有功相位電流平衡。電流不平衡會套用至「逐週期」電流感測電路以作為回饋，有助於調節負載電流。這樣做可確保兩相之間有相等的分配。與順向轉換器設計不同，設計人員若使用此 IC，在設計計算階段期間無須考慮可能存在的 15% 至 20% 的相位不平衡。

在三相或四相操作中，每個晶片平均電流透過專用差動連接，在控制器和目標裝置之間傳輸。電流模式控制器和目標裝置會調節各自的電流，以便所有相位都共用相同的負載電流。

圖 4 所示的四相交錯反相升降壓電源供應器，適用於需要大量電能的應用。CSIO+ 和 CSIO- 訊號會連接兩個控制器，而且 SYNC 引腳的連接可確保相位交錯機制與協調之相位的時脈同步。

圖 4：四相反相升降壓 -48 V_IN 至 +48 V_OUT 800 W 電源供應器。(來源：Analog Devices)

MAX15258 是一款低頻升壓轉換器。這可減少轉換器的主要功率損耗來源，亦即減少切換損耗。因為每個轉換器都在低頻的低損耗區域運作，因此在較高等效總頻率下，可提供高輸出功率。這使得此轉換器成為轉換 -48 V _DC 時的首選元件。

其工作週期穩定，可獲得高輸出功率，且效率極高。圖 5 顯示耦合的電感式 MAX15258 800 W 公版設計的效率曲線，適用於各種 V _IN 和 V _OUT 的組合。由於導通損耗減少，圖中清晰顯示超過 98% 的效率。

圖 5：MAX15258 CL 800 W 公版設計的效率與輸出負載電流的比較。(來源：Analog Devices)

結論

電源供應器在電信產業中扮演著重要角色。由於能夠達到高效率，並將功率損耗減至最少，主動箝位順向轉換器 (ACFC) 在電信電源供應器設計中更受歡迎。然而，固有的侷限性可能會妨礙其在特定情況下的效力。為了克服主動箝位順向轉換器的侷限性，推出新一代電源供應器技術，可提供更高的效率、更高的功率密度，和簡化的控制機制。在電信產業中，這些新型解決方案為開發更先進和最佳化的電源供應器鋪路。