יצירת ספק כוח משופר למתח ישר של מינוס 48 וולט, עבור ציוד טלקומוניקציה בדור 5 ובדור הבא

תקציר

הדרישה לנתונים ניידים גדלה בשיעור חד, ככל ששווקים ויישומים חדשים ממשיכים לצוץ. אין פתרונות אחרים מאשר לפרוש אתרים סלולריים נוספים בצפיפות גבוהה יותר. גורמים אלו ישפיעו באופן ישיר על תכנון מוצרים שכוללים תאי מאקרו, תאים קטנים ותאי femtocell. מכשירי הרדיו משדרים כיום על פני פסי רוחב מרובים, ומהנדסים שעוסקים בתכנון מגברי הספק (PA) דוחפים את גבולות הספק המוצא של מגברי ההספק לרמות גבוהות יותר. מאמר זה מתמקד במגברי הספק של 80 ואט, כאשר במערכת קיימים כמה מכשירי PA. דבר נפוץ הוא לראות פלטפורמות של יחידות רדיו מרחוק (RRU) שפועלות ב- 1400 ואט. ואולם, מפעילי הרשתות מבקשים שיחידות RRU אלו יהיו בעלות נצילות הספק גבוהה יותר, אמינות יותר וקומפקטיות יותר, מפני שהן מגדילות את צפיפות הכיסוי. נקודות העומס (PoL) צריכות לפעול על פני טווח רחב של מתחי כניסה וטווח רחב של טמפרטורות פעולה, וחשוב מכל, עליהן להיות כדאיות מבחינת העלות. עם זאת, מבחינת יישומים שפועלים בהספק של 500 ואט או יותר, קשה לנהל את התכנון המגנטי ואת הפסדי ההולכה במעגלים המשניים של תכנון ממיר לפנים בצימוד אקטיבי, בגלל הצורך בתוכנית בקרה מתקדמת שתשמור על תזמוני ההשהיות בין הצימוד האקטיבי לבין דחיפת שער המיתוג הראשי. מאמר זה מציג פתרון לנקודת עומס במתח ישר של מינוס 48 וולט, שניתן לשדרג ולערום אותו, והוא עונה על הדרישות הקיימות במצבי שימוש בהספק בצפיפות גבוהה, אשר נוצרים כתוצאה מרשתות שפועלות בצפיפות גבוהה בשל גידול עצום בתעבורה ברשת.

הקדמה

מערכות של רשתות טלקומוניקציה ורשתות אלחוטיות פועלות בדרך כלל במתח ישר של מינוס 48 וולט. כל עוד אספקה של מתח ישר הייתה פשוטה, אפשר היה לבנות מערכות גיבוי לאספקת מתח על ידי שימוש במצברים, בלי צורך בממירים–מהפכים (אינוורטרים). את מקור המתח הישר אפשר לאחסן במצברים, ומצברים אלו יכולים להמשיך לפעול במשך זמן מה לאחר שנותקה אספקת החשמל. אבל לפני שאפשר יהיה להעלות מתח ישר של מינוס 48 וולט, ראשית יש להמיר אותו בנצילות גבוהה למתח חיובי של אפיק ביניים, כדי שאפשר יהיה להפעיל את מגבר ההספק, או להוריד את המתח לאספקה חיובית מתאימה לעבודה של יחידות פס הבסיס הדיגיטלי (BBU). ספק כוח עם יכולת של 100 ואט עד 350 ואט יכול היה להספיק ליישומים רבים. ממירים לפנים נחשבו לבחירה טובה ונפרשו במשך שנים ביחידות BBU ו- RRU לטלקומוניקציה. ככל שגדלה הדרישה לנתונים ניידים, שווקים חדשים ויישומים חדשים המשיכו להופיע. כעת ניצב בפני הממיר לפנים אתגר קשה יותר, במיוחד כאשר לתכנוני רדיו חדשים אלו יש צורך בהספק מוצא של יותר מ- 500 ואט. במאמר זה נציג בקר לממיר מעלה–מוריד, סירוגי (interleaving), מהפך, למתח גבוה, בריבוי פאזות, שניתן לערום אותו ושיענה על כל הדרישות והאתגרים, כדי לעמוד בדרישות של ציוד הטלקומוניקציה בדור 5, שקיים היום. ואולם, תחילה, מניין מגיע מתח ישר של מינוס 48 וולט ומדוע הפוטנציאל השלילי?

מערכת אספקת מתח ישר אופיינית לטלקומוניקציה

רשתות טלקומוניקציה ורשתות אלחוטיות, בדרך כלל, פועלות על מתח ישר של מינוס 48 וולט, אך מדוע? הסיפור בקצרה הוא שמתח ישר של מינוס 48 וולט, שנודע גם כמערכת עם הארקה חיובית, נבחר מפני שהוא מספק חשמל שמספיק לתמיכה באותות טלקומוניקציה, ועם זאת, הוא בטוח לגוף האדם כאשר הוא יוצר פעילויות טלקומוניקציה. לעת עתה, הוא מאושר על ידי תקנות הבטיחות וקוד החשמל, לפיהם, כל מה שפועל במתח ישר של 50 וולט ופחות, נחשב מעגל מתח נמוך בטוח. סיבה נוספת היא שמתח ישר של מינוס 48 וולט מאפשר למפעילי טלקומוניקציה להשתמש בקלות במצברי עופרת–חומצה של 12 וולט שמחוברים בטור ופועלים כמקור מתח לגיבוי במקרה של תקלה מתח במערכת רשת האספקה. מתח ישר שלילי של 48 וולט נחשב עדיין סטנדרטי במתקני תקשורת שמספקים שירותים קוויים ואלחוטיים, מפני שהוא נחשב מתח שגורם לאיכול במתכת (או לפחות מעכב גלוון) פחות מאשר מתחים חיוביים. איור 1 מציג תרשים מפושט של מערכות מתח ישר לטלקומוניקציה עם דגש על הדרך שבה מתח ישר שלילי של 48 וולט נוצר ומחולק. מערכת מתח ישר לטלקומוניקציה כוללת בדרך כלל את מערכת רשת החשמל הארצית, גנרטור שפועל על דיזל, מתג ממיר אוטומטי (ATS) לזרם חילופין בפעולה עצמית, מערכת חלוקת חשמל, פנלים או לוחות סולריים, בקרים ומטענים, מיישרי זרם, מצברי גיבוי מחוברים בטור וכבלים ומפסקים ראשיים תואמים.

איור 1. תרשים מפושט של מערכת אספקת מתח ישר טיפוסית לטלקומוניקציה. קרדיט: ANALOG DEVICES

בזמן הפסקת חשמל, הגנרטור המופעל בדיזל מתוכנן להתחיל לספק חשמל במתח חילופין למערכת חיבור המתח הישר, באופן אוטומטי. מתג ATS מבצע סנכרון מתחים ממקורות שונים אל הציוד. מאחר שלרוב ציוד הטלקומוניקציה באתר נדרש מתח ישר, מתח החילופין שמגיע מרשת החשמל או מגנרטור שמופעל בדיזל, עובר המרה למתח ישר של מינוס 48 וולט באמצעות מיישרי מתח. מיישרים בעלי יתירות אלו משמשים להמרת מתח חילופין למתח ישר של מינוס 48 וולט, שמשמש לטעינה בטפטוף (trickle charge) של המצברים וכן לתמיכה בעומסים קריטיים. המצברים שהמתח שלהם צף מספקים מתח ישר של מינוס 48 וולט לציוד הטלקומוניקציה או לפריטי עומס אחרים, אם מערכות היישור לא מצליחות לעשות זאת. המערכות BTS או RRH לא מבחינות בהבדל במקור המתח הממשי, והכל פועל כרגיל. כאשר אספקת החשמל מתחדשת, מערכות היישור חוזרות לפעול. בעיקרון, מערך אספקת החשמל כולו, פועל כמערכת אל פסק (UPS).

המגבלות של הממיר לפנים

כעת, לאחר שהבנו מניין מגיע מתח ישר של מינוס 48 וולט, נדון באחת מטופולוגיות PoL הנפוצות ביותר בתעשייה, שמשמשות להמרת מתח ישר של מינוס 48 וולט לערכי מתח חיובי. אנשי תכנון רבים של PoL בתחום הטלקומוניקציה משתמשים בממיר לפנים בצימוד פעיל, כדי לממש את התכנון שלהם לגבי ממיר–מעלה–מוריד–מהפך. בין גרסאות אחרות של מעגל, שגם בהן משתמשים, יש ממירים דחף–סחב, ממירי חצי גשר או ממירי גשר מלא. היתרונות הם שרוב אנרגיית הזליגה בשנאי מוחזרת בשיטת שחזור, ללא הפסדים כמעט. למתכנן ה- PoL חשוב להבין, קודם כל, את התזמון הבסיסי שהוא טבעי לאיפוס הצימוד האקטיבי. למעשה, הערכת גודל לא נכונה של קבל הצימוד יכולה להוביל להגדלת מחזור העבודה של PoL, אשר יכולה לגרום לרוויה של השנאי ולהשפעה על אמינות המתג הראשי בטווח הארוך. איור 2 מראה תכנון מקובל של מעגל ממיר לפנים בצימוד אקטיבי, עם איפוס שנאי בצד הנמוך. מנגנון האיפוס של השנאי כולל את הקבל C_Clamp ואת Q1.

איור 2. תכנון של מעגל ממיר לפנים בצימוד אקטיבי, עם איפוס שנאי בצד הנמוך. קרדיט: ANALOG DEVICES

בחסרונות הקשורים לצימוד אקטיבי נכלל גם הצורך לקבוע במדויק את הגודל של קבל הצימוד. ערך גבוה של קבל יגרום לפחות אדוות מתח, אך הוא חופן בחובו מגבלת תגובה לתופעות מעבר. לטופולוגיה לפנים של צימוד אקטיבי יש צורך להשתמש בטכניקת בקרה מתקדמת, כדי לסנכרן את תזמון ההשהיה בין הצימוד האקטיבי לבין דחיפת שער המיתוג הראשי. חיסרון נוסף שקשור בצימוד האקטיבי, הוא שאם לא יעבור צימוד לערך מרבי כלשהו, מחזור פעולה מוגדל עלול להסתיים ברוויה של השנאי או בלחצי מתח נוספים על המתג הראשי, תופעה שעלולה להיות חמורה ביותר. ולבסוף, הממיר לפנים בצימוד אקטיבי הוא ממיר מתח ישר למתח ישר בדרגה יחידה. ככל שרמת המתח גדלה – לדוגמה, ציוד של 800 ואט במערכות בדור 5 הופך להיות נורמה –תכנון בריבוי פאזות ידגים יותר יתרונות ליישומים אלו, הצמאים להספק. ממיר פאזה יחידה מחטיא את כל היתרונות שמתקבלים בעת השימוש בפעולה סירוגית בריבוי פאזות. בנוסף, לא ניתן לשדרג תכנון לפנים של צימוד אקטיבי להספק מוצא גבוה יותר ולקבל תוצאות דומות, כמו בתכנון עם הספק מוצא נמוך. בחלק הבא, יוצג הממיר–מעלה–מוריד–מהפך, MAX15258. איור 3 מראה תרשים בלוקים אופייני של רמה גבוהה של ספק כוח עבור מעגל מאקרו בדור 5 או מעגל Femto RRU. בקר החלפה תחת מתח ממוקם כמעט באופן אוניברסאלי בחזית של ממיר מתח ישר של מינוס 48 וולט. דוגמאות למנהלי הספק בהחלפה תחת מתח של מינוס 48 וולט מתח ישר, עם תכונות מלאות, הם ADM1073 ו- LTC4284, אשר מתאימים מאוד ליישומים אלו.

איור 3.  תרשים בלוקים של ספק כוח עבור תחנת בסיס מאקרו בדור 5. קרדיט: ANALOG DEVICES

המעגל MAX15258 הוא בקר מעלה למתח גבוה בריבוי פאזות עם ממשק דיגיטלי I²C שמתוכנן לתמוך בעד שני מעגלי MOSFET דוחפים ובארבעה מעגלי MOSFET חיצוניים, בקונפיגורציות של דחף–סחב מהפך מעלה, בפאזה יחידה או בפאזה כפולה. את שני הבקרים אפשר לערום בקונפיגורציה תלת פאזית או ארבע פאזית. ההתקן דוחף את הפאזות עם המידה הנכונה של הזזת פאזה לצורך השגת ביטול מרבי של אדוות מתח. כאשר ה- MAX15258 מוגדר בקונפיגורציה כממיר מעלה מוריד מהפך, יש לו מזיז רמה פנימי למתח גבוה עם משוב, כדי שתהיה חישה של מתח המוצא באופן הפרשי. איור 4 מראה תרשים בלוקים מפושט של מימוש מעלה מוריד מהפך דו פאזי סירוגי.

איור 4. תרשים בלוקים מפושט של מימוש מעלה מוריד מהפך דו פאזי סירוגי. קרדיט: ANALOG DEVICES

עם מעגל משולב (IC) זה, המתכננים לא צריכים להתחשב בחוסר איזון אפשרי בפאזה (15% עד 20%) בשלבי צעדי חישוב התכנון שלהם, כפי שהם מחויבים עם תכנון ממיר לפנים. הבקר מסתמך על ארכיטקטורה מצב זרם שיא בתדר קבוע, שמספקת תגובה מהירה לתופעות מעבר, כדי לייצב את המוצא. תרשים בלוקים מפורט של לולאת בקרה נראה בגיליון הנתונים של ההתקן. ההתקן מנטר את זרם ה- MOSFET בצד הנמוך של כל פאזה, דרך נגד R_SENSE, ומשתמש באות חישת זרם הפרשי כדי להבטיח שקיימת התנהגות תקינה של ייצוב זרם בפאזה פעילה, כאשר שני מעגלים משולבים מסוג MAX15258 מוערמים בקונפיגורציה של צומת מארח. חוסר האיזון בזרם מופעל על מעגל חישת הזרם, מחזור אחר מחזור, כמשוב, ועוזר בייצוב, כך שזרם העומס מתחלק בצורה שווה בין שתי הפאזות. בפעולה עם שלוש פאזות או ארבע פאזות, התקן הצומת משתמש באותות הפרשיים (CSIO+, CSIO–) כדי להעביר את הזרם הממוצע שלו לבקר המארח. תכונה זו של איזון זרם מדויק, היא שהפכה את MAX15258 לאטרקטיבי מאוד בעיני אנשי תכנון של PoL. איור 5 מציג ספק כוח מעלה מוריד מהפך סירוגי של ארבע פאזות למתח כניסה של מינוס 48 וולט ולמתח מוצא של פלוס 48 וולט, בהספק 800 ואט, עם האותות של CSIO+ ו  CSIO–, כאשר הם מחברים את שני הבקרים. יש לשים לב שפיני הסנכרון (SYNC) של שני ההתקנים מחוברים גם הם, כדי להבטיח סינכרון של אות שעון עבור שיטת פעולה סירוגית בפאזה מתואמת.

איור 5. ספק כוח מעלה מוריד מהפך סירוגי לארבע פאזות, למתח כניסה של מינוס 48 וולט ולמתח מוצא של פלוס 48 וולט, עם הספק מוצא של 800 ואט עם האותות של CSIO+ ו  CSIO– שמחברים את שני הבקרים. קרדיט: ANALOG DEVICES

גם כאן, MAX15258 הוא בבסיסו ממיר דוחף שפועל בתדר נמוך באופן יחסי. באופן טבעי תכונה זו מקטינה את הפסדי המיתוג, שהם התורמים החשובים ביותר להפסדי הספק בממירים אלו. ההתקן מתוכנן לתמוך בתדרי מיתוג של עד 1 מגה הרץ. בפעולות בפאזות מרובות, הפאזות פועלות במקביל, וכולן פועלות באותה תדירות (אך באופן סירוגי). התדירות הכוללת שוות הערך היא N x Freq כאשר N הוא מספר הפאזות, אך ההפסדים הם אלו שנמצאים בתדירות של כל ממיר. התוצאה של המימוש הסירוגי, היא כמה ביטולים של זרם אדווה שנראה מקבל המוצא. זרם אדוות הכניסה מוקטן בהרבה, כך שאפשר להשתמש בסלילי כניסה (משרנים) קטנים. השימוש בטכנולוגיית סלילי צימוד (CL), הרשומה כפטנט של ADI, עוזר גם הוא להנחית את זרם האדוות במוצא ומאפשר את השימוש בקבלים יקרים פחות עם ערכי זרם אדוות נמוכים יותר. כך מתקבל גידול בנצילות, בצד הקטנה של עקבת המעגל המודפס הכולל ב- PoL. בעיקרון כך מתקבל הספק מוצא רב מאוד עם תדירות שוות ערך גבוהה, אבל כל ממיר פועל באזור שבו יש הפסדים קטנים בתדירות נמוכה. זה התכסיס שהופך את MAX15258 לפתרון שפועל בחזית עבור המרה של מתח ישר של מינוס 48 וולט.

טופולוגיית הצימוד האקטיבי לפנים מגבילה את היכולת להשיג מחזורי עבודה, והיכולת להפעיל שילובים מסוימים של מתח כניסה ומתח מוצא הופכת למאתגרת. כאשר יצרני ציוד מקור (OEM) של ציוד טלקומוניקציה משלבים פסי תדר שונים באותן פלטפורמות, היכולת לתמוך בטווחים שונים של מתחי מוצא של מגבר הספק (PA) הפכה להיות דרישה קשה. ממיר לפנים של צימוד אקטיבי מוגבל בהספק המוצא שלו. MAX15258 עונה על הדרישה למרווחי פינים לפי תקן IPC9592B או על הדרישה למרווחי מוליכים במעגל מודפס למתחי שיא גבוהים, עד 56 וולט. התקן IPC9592B מספק נוסחה לחישוב רווחי המשטחים של מעגל חיווט מודפס
(PWB) למתחי פעולה מ- 30 וולט עד 100 וולט בערך, שבה המרווח במ”מ הוא: Clearance (mm) = 0.1 + V_PEAK × 0.01 (לדוגמה, מקרה של 56 וולט מיתרגם למרווח של 0.66 מ”מ בין פיני מתח גבוה לפינים אחרים).

בניתוח הסופי, לממיר לפנים של הצימוד האקטיבי הפעיל נדרשים צעדים מורכבים רבים מדי, כדי להבטיח שהשנאי לא יגיע לרוויה. ואולם, MAX15258 מהפך באופן אוטומטי את המתח ומאפשר קבלה של הספק מוצא גבוה מאוד בנצילות גבוהה מאוד, עם יכולת מחזור עבודה בלתי רגילה (גבוהה יותר). מאפיינים אלו מאפשרים תכנון פלטפורמה ניתנת לשדרוג וניתנת למערום (עד ארבע פאזות), שמספקת בקרה גמישה ויציבה למחזורי עבודה, כדי שתוכל להתאים לטווחים רחבים של מתח כניסה ומתח יציאה. איור 6 מציג את עקומות הנצילות של תכנון לייחוס של MAX15258 המבוסס על סליל בצימוד בהספק 800 ואט, עם אפשרויות בחירה שונות של מתח כניסה ומתח יציאה. התרשימים מראים בבירור את מספרי הנצילות הטובים ביותר מסוגם, בטווח של98%  או יותר, בזכות הפסדי הולכה נמוכים. כל אלו בעלות נמוכה יחסית של רשימת חומרים.

איור 6. עקומות הנצילות של תכנון לייחוס של MAX15258 המבוסס על סליל בצימוד בהספק 800 ואט, במתחי כניסה ומתחי יציאה שונים. קרדיט: ANALOG DEVICES

דרך הממשק הדיגיטלי I²C, המשתמש יכול לקרוא חזרה מתוך MAX15258 כמות גדולה ממידע הטלמטריה, לרבות מתח כניסה, מתח מוצא, זרמי הפאזות ומצב התקלות.

כמו כן, אפשר להגדיר את מתח המוצא באופן דינמי דרך הממשק הדיגיטלי. איור 7a מציג את התרשים Bode שנמדד בפעולה בזרם עומס במצב יציב של התכנון לייחוס של MAX15258 CL ל- 800 ואט במתח כניסה של מינוס 48 וולט ומתח יציאה של פלוס 48 וולט (זרם מוצא של 16 אמפר). התוצאה היא שולי פאזה של 74.4^O ושולי הגבר של -20.7 dB. איור 7b מציג תרשימי התגובה לתופעות מעבר בעומס. כפי שניתן להבחין, שפות המיתוג נקיות מאוד, למעשה עם אפס תגובת יתר ואפס צלצולים (ringing).

איור 7.  (a): תרשים Bode שנמדד בפעולת זרם העומס במצב יציב (b): תגובה לתופעות מעבר בעומס: Ch3—VOUT (AC), 1 V/div; Ch2—ILOAD, 10 A/div קרדיט: ANALOG DEVICES

לסיכום

מפעילי רשתות יצטרכו להתקין יותר תאים קטנים ביותר מקומות, מהר יותר מאשר קודם. וכמובן, נקודות PoL במוצרים אלו יצטרכו להיות מאוד יעילות, עם נצילות גבוהה מאוד, עם המרת הספק של 98% לפחות. התכנון של הבקר מעלה מוריד מהפך למתח גבוה, MAX15258, כדאי מבחינת עלות, יעיל וניתן לשדרוג, מאפשר הוספה והסרה בקלות של פאזות באותו מערך של מעגל מודפס
(PCB). יתרונות אלו מאפשרים למתכנני ממיר מתח להרחיב את נצילות המרת ההספק. חברת ADI תמשיך להגיב לאתגרים אלו ולדומים להם, על ידי כך שתפתח פתרונות נוספים להמרת מתח ישר גבוה של מינוס 48 וולט, שמתוכננים עבור שוק מוצרים בדור 5, תוך כדי הסתמכות על מומחיות משמעותית בארכיטקטורות של ספקי כוח.