השגת נצילות גבוהה בספקי-כוח טלקום

מגזר הטלקומוניקציה הפך להיות אלמנט חשוב של חברה מודרנית ותקשורת גלובלית מיידית. בין אם לצורך שיחת טלפון, מסרון או פקודת אינטרנט, ציוד טלקום מבטיח חיבור אמין. ספק-הכוח הפועל מאחורי הקלעים הוא רכיב‏ חיוני, שרק לעתים רחוקות מכירים בכך.

מאמר זה מתמקד ב-Analog Devices MAX15258, שמתוכנן להתאים עבור עד שני דוחפי MOSFET‏ וארבעה טרנזיסטורי MOSFET‏ חיצוניים בתצורות Boost‏/Buck-Boost-הופך‏ חד-פאזי או דו-פאזי. אפשר לשלב שני התקנים עבור עבודה תלת-פאזית או ארבע--פאזית, ובכך להשיג רמות נצילות והספקי יציאה גבוהים יותר.

מענה לצורך של דרישת הספק מוגדלת

דרישת ההספק בתעשיית הטלקומוניקציה גדלה עם הזמן, מונעת על ידי התפתחויות בטכנולוגיה, תעבורת רשת מוגברת וההתפשטות של תשתית‏ טלקומוניקציה. המעבר מרשתות דור שלישי (3G) לדור רביעי (4G‏) ודור חמישי (5G‏) הוביל לציוד מתקדם ובעל הספק גבוה.

לפריסה של‏ טכנולוגיית 5G‏ יש השפעה‏ משמעותית על דרישות ההספק של‏ תחנות בסיס ומגדלים סלולריים. תחנות בסיס, במיוחד אלו באזורים אורבניים, דורשות רמות הספק גבוהות יותר כדי לתמוך במספר האנטנות ויחידות הרדיו הגדול הדרוש עבור תצורות MIMO‏ (כניסות מרובות, יציאות מרובות) מסיביות ועיצוב אלומה (Beamforming).

יתירות (Redundancy) היא גורם חיוני נוסף. ספקי כוח חייבים להיות מתוכננים תוך התחשבות ביתירות, לעתים קרובות כולל מקורות כוח גיבוי כמו סוללות או גנרטורים כדי להבטיח פעולה רציפה במקרה של הפסקות חשמל.

בהשוואה לדורות קודמים של‏ רשתות אלחוטיות, הפריסה של טכנולוגיה ניידת‏ 5G‏ מציגה מספר שינויים לדרישות התקני הספק. כדי שרשת 5G תקיים את הבטחתה לתקשורת שיהוי-נמוך אמינה ומהירה, יש להתייחס למספר קריטריונים.

דרישות מגבר הספק

• לתמוך בספקטרום רחב של פסי תדרים, כולל תדרי תת--6‎ GHz‏ ו-mmWave (גלים מילימטריים), שמציגים אתגרים ייחודיים עבור התפשטות גלים.
• להתאים לרוחבי פס אותות רחבים יותר ורמות הספק גבוהות יותר, כמו גם לספק הגברה לינארית כדי למנוע עיוותים של אותות קצב-נתונים-גבוה.
• לעבוד ביעילות כדי להקטין למינימום צריכת הספק ויצירת חום, במיוחד עבור התקנים מוזני-סוללה ותחנות בסיס סלולריות הספק-נמוך (small cells) מרוחקות.
• לכלול גורם צורה קומפקטי‏ וקל-משקל היכול להתאים במארזים קטנים, כמו אתרי תחנות בסיס סלולריות הספק-נמוך (small cells) וציוד משתמש.
• לשלב טכנולוגיות וחומרים מתקדמים כגון התקני מוליכים-למחצה עשויים מגאליום ניטריד (GaN‏) וסיליקון קרביד (SiC‏) כדי לספק צפיפות הספק מוגדלת, ביצועים משופרים ותדרי עבודה מוגדלים.

דרישות המרת כוח

מסיבות היסטוריות, פרקטיות וטכניות, מערכות טלקום משתמשות בדרך כלל בספק-כוח‏ ‎48 V_DC-. במקרה של תקלה ברשת קווי החשמל או מקרה חירום אחר, רשתות טלקומוניקציה דורשות מקורות כוח גיבוי מהימנים. סוללות עופרת-חומצה, המשמשות לרוב עבור אספקת-כוח עתודה, יכולות גם כן לעבוד ב-‎48 V_DC-. שימוש באתו המתח עבור אספקת-כוח עיקרית כמו גם אספקת-כוח גיבוי מקל על תכנון ותחזוקה של מערכות גיבוי. נוסף לכך, מתחים נמוכים יותר כמו ‎48 V_DC- הם בטיחותיים יותר עבור בני האדם העובדים עם ציוד טלקום, מקטינים את הסיכון של‏ מכת חשמל ופגיעה.

ספקי-כוח עבור ציוד טלקומוניקציה חייבים לעמוד בדרישות עבודה ספציפיות כדי להבטיח ואמינות ונצילות. הנה כמה מפרטים חשובים:

• תחום מתחי כניסה: על ספק-הכוח להיות מתוכנן לקבל טווח‏ מתחי כניסה רחב.
• ייצוב מתח: ספק-הכוח חייב לספק‏ מתח יציאה יציב ומווסת לפי הדרישות של‏ ציוד הטלקום.
• נצילות גבוהה: ספקי-הכוח חייבים להיות בעלי נצילות גבוהה כדי להקטין הפסדי הספק וצריכת אנרגיה. נצילויות של‏ לפחות %‏90‏ הן אופייניות.
• יתירות (Redundancy): כדי להבטיח עבודה ללא-הפסקה, ספקי-כוח כוללים לעיתים קרובות מאפייני יתירות (Redundancy) כגון N+1, כשמשתמשים‏ בספק-כוח נוסף. אם אחד כושל, השני יכול לקחת על עצמו את הנטל.
• ניתנים להחלפה-חמה: בהתקנות קריטיות-למשימה, ספקי-כוח חייבים להיות ניתנים להחלפה-חמה, להבטיח זמן השבתה מינימלי בזמן החלפה או תחזוקה.
• אמינות גבוהה: ספק-הכוח חייב להיות מצויד במנגנון הגנה כדי למנוע נזק שנגרם על ידי תנאי הפעלה גרועים, כמו זרם-יתר, מתח-יתר וקצר חשמלי.

ה-Active-Clamp Forward Converter‏ (ACFC)

ה-Active-Clamp Forward Converter‏ (ACFC)‏ הוא‏ תצורת ממיר DC/DC‏ שכיחה במערכות ספק-כוח, ומשמשת‏ בעיקר עבור המרת ‎48 V_DC- לרמות מתח חיוביות. ה-ACFC‏ הוא מעגל‏ המרת מתח המשלב מאפיינים מה-Forward Converter ומעגל ה-Active-Clamp כדי להגדיל נצילות. טכנולוגיה זו שכיחה במערכות ספק-כוח עבור טלקומוניקציה‏ ומערכות מרכז נתונים.

האלמנט המרכזי של‏ ה-ACFC‏ הוא‏ שנאי (איור 1‏). הליפוף הראשוני של השנאי מקבל את מתח הכניסה, וכתוצאה מכך יש השראת מתח בליפוף השניוני‏. מתח היציאה של השנאי נקבע על ידי יחס הליפופים שלו.

מעגל ה-Active-Clamp, הכולל מתגי מוליכים-למחצה משלימים וקבל, מווסת ומפקח על האנרגיה הכלולה בהשראות השטף המגנטי של השנאי. כשהמתג הראשוני כבוי, האנרגיה המאוחסנת בהשראות השטף המגנטי מופנית‏ אל קבל ההידוק, ובכך נמנעות קפיצות מתח. פרקטיקה זו מפחיתה את העומס על המתג הראשוני ומשפרת את היעילות התפעולית. המתח מהליפוף השניוני של השנאי‏ מיושר על ידי דיודה, ומתח היציאה מוחלק על ידי קבל סינון‏ יציאה. לבסוף, ACFC‏ עובד עם מיתוג רך, זאת אומרת מעברי מיתוג הם חלקים יותר ומייצרים פחות רעש. התוצאה מכך היא הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) מופחתות והפסדי מיתוג נמוכים יותר.

איור 1‏: טופולוגיית ה-ACFC (מקור: Analog Devices)

מעגל ה-ACFC‏ מקטין קפיצות מתח ולחץ על רכיבים, מוביל לנצילות משופרת, במיוחד ביחסי מתח כניסה-ליציאה גבוהים. יתר על כן, הוא יכול לטפל במגוון רחב של‏ מתחי כניסה, מה שעושה אותו מתאים עבור יישומי טלקום ומרכז נתונים עם מתחי כניסה משתנים.

החסרונות של מעגל ה-Active Clamp כוללים:

• אם לא מוגבל לערך מרבי, מחזור פעולה (duty cycle) מוגדל יכול לגרום לרוויית שנאי או לחץ מתח נוסף על המתג הראשי, מה שמחייב גודל מדויק של קבל ההידוק.
• ACFC‏‏ הוא ממיר DC-ל-DC דרגה-אחת. עם עליית רמת ההספק, יעלו היתרונות של תכן רב-פאזי עבור יישומים עתירי הספק כגון טלקום.
• תכן Active Clamp Forward לא ניתן למדרוג להספק יציאה גבוה יותר ולשמור על ביצועים דומים.

התגברות על מגבלות ACFC

ה-MAX15258 של Analog Devices‏ הוא בקר Boost‏ מתח-גבוה רב-פאזי ‏עם ממשק דיגיטלי I²C המתוכנן עבור טלקום ויישומים תעשייתיים. ההתקן כולל‏ תחום מתחי כניסה רחב של‏ V‏ 8‏ עד V‏ 76‏ עבור תצורת Boost‏ ו-8‎ V- עד ‎76 V- עבור תצורת Boost‏/Buck‏ הופכת. תחום מתחי היציאה, מ-‎3.3 V עד ‎60 V מכסה את הדרישות של יישומים שונים, כולל התקני טלקום.

יישום‏ אופייני של IC ‏רב-תכליתי זה הוא ספק-הכוח עבור‏ 5G macrocell או femtocell המוצג באיור 2‏. מאפיין ההחלפה החמה (hot-swap) מובטח על ידי בקר‏ החלפה-חמה מתח שלילי, כמו ה-ADM1073 של ADI, מוזן על ידי ‎48 V_DC-. אותו מתח מזין את ממיר ה-Boost‏‏/Buck‏ MAX15258, שמסוגל לספק הספק יציאה עד 800‎ W‏.

איור 2: דיאגרמת מלבנים של‏ דרגת ספק-כוח עבור יישומי 5G‏. (מקור: Analog Devices)

ה-MAX15258 מתוכנן לתמוך בעד שני דוחפי MOSFET‏ וארבעה טרנזיסטורי MOSFET‏ חיצוניים בתצורות Boost‏/Buck-Boost-הופך חד-פאזי או דו-פאזי. הוא גם משלב שני התקנים עבור עבודה תלת-פאזית או ארבע-פאזות. יש לו‏ מסיט רמה FB מתח-גבוה פנימי עבור חישה הפרשית של מתח היציאה כשמוגדר תצורה כממיר ‏Buck-Boost‏-הופך. ניתן להגדיר את מתח היציאה באופן דינמי באמצעות פין כניסת ייחוס ייעודי או דרך ממשק דיגיטלי I²C.

ניתן להשתמש בנגד חיצוני כדי לכוונן את המתנד הפנימי, או ניתן לסנכרן את המייצב עם שעון חיצוני כדי לשמור על תדר מיתוג קבוע. נתמכים תדרי מיתוג מ-12‎0 kHz עד ‎1 MHz. הבקר מוגן גם מפני זרם-יתר, מתח-יתר יציאה, תת-מתח כניסה וכיבוי תרמי.

הנגד בפין ה-OVP‏ מציין את מספר הפאזות לבקר. זיהוי זה משמש כדי לקבוע כיצד הבקר מגיב לאות השעון הרב-פאזי של הפאזה הראשונית. בממיר‏ ארבע-פאזות, שתי הפאזות של בקר ה-MAX15258 או המטרה מופרדים ב-°‏180‏, בעוד היסט הפאזה בין הבקר והמטרה הוא‏ °‏90‏ (איור 3‏).

איור 3‏: תצורת ארבע-פאזות - צורות גל בקר ומטרה. (מקור: Analog Devices)

בעבודה רב-פאזית, ה-MAX15258 מנטר את זרם ה-MOSFET‏ צד-נמוך עבור איזון זרם פאזה אקטיבי. כמשוב, חוסר איזון הזרם מיושם למעגל חישת הזרם מחזור-אחר-מחזור כדי לסייע בוויסות זרם העומס. פעולה זו מבטיחה חלוקה שוויונית בין שתי הפאזות. שלא כמו בתכני forward converter, מתכננים אינם צריכים לקחת בחשבון חוסר איזון פאזה אפשרי של 15% עד 20% במהלך שלבי חישוב התכנון כשמשתמשים ב-IC זה.

בעבודה תלת-פאזית או ארבע-פאזות, זרם הממוצע לשבב מועבר בין הבקר ומטרה דרך חיבורים הפרשיים ייעודיים. בקר ה-Current-Mode והתקני המטרה מווסתים את הזרמים המיוחדים שלהם כך שכל הפאזות חולקות באופן שווה את זרם העומס.

ספק-הכוח Buck-Boost ההופך של ארבע-פאזות מופרדות (Interleaved) המוצג באיור 4‏‏ מתאים עבור יישומים הדורשים כמויות גדולות של הספק. אותות ה-+CSIO‏ ו-–CSIO‏ מחברים את שני הבקרים, ופיני ה-SYNC מחוברים כדי להבטיח סנכרון שעון עבור תוכנית הפרדת (Interleaving) הפאזות עם פאזות מתואמות.

איור 4‏: ספק-כוח Buck-Boost הופך ארבע-פאזות‏ ‎48 V_IN- ל-48‎ V_OUT+‏ 800‎ W. (מקור: Analog Devices)

ה-MAX15258 הוא ממיר Boost תדר-נמוך. זה מפחית את מקור אובדן ההספק העיקרי של הממירים - הפסדי מיתוג. מכיוון שכל ממיר פועל באזור ההפסד-הנמוך שלו בתדר נמוך, זה מציע הספק יציאה גבוה בתדר כולל שווה ערך גבוה. זה הופך אותו להתקן המוביל להמרת ‎48 V_DC-.

על ידי עבודה במחזור פעולה (duty cycle) יציב, הוא משיג הספק יציאה גבוה עם נצילות גבוהה ביותר. איור 5‏ מראה את עקומות הנצילות של תכן ייחוס ‏MAX15258 800 W‏ מבוסס-משרן מהודק עבור צירופי V_IN ו-V_OUT שונים. כתוצאה מהפסדי הולכה מופחתים, העקומות מציגות בפשטות נתוני נצילות של יותר מ-98%.

איור 5: נצילות לעומת זרם עומס יציאה ‏של תכן ייחוס MAX15258 CL 800 W. (מקור: Analog Devices)

סיכום

ספקי-כוח משחקים תפקיד‏ חשוב בתעשיית הטלקומוניקציה. הודות ליכולתם להשיג יעילות גבוהה ולמזער הפסדי הספק, Active Clamp Forward Converters‏ (ACFCs) זוכים להעדפה בתכנוני ספקי כוח טלקום. עם זאת, מגבלות מובנות יכולות לעכב את יעילותם בנסיבות ספציפיות. כדי להתגבר על מגבלות של‏ Active Clamp Forward Converters,‏ הופיע דור חדש של‏ טכנולוגיות ספק-כוח המציע נצילות משופרת, צפיפות הספק מוגדלת ומנגנוני בקרה מפושטים. בתעשיית הטלקום, פתרונות חדשניים אלה סוללים את הדרך אל ספקי-כוח מתקדמים וממוטבים יותר.