Obtenção de alta eficiência em fontes de alimentação para telecomunicação

O setor de telecomunicação tornou-se um elemento importante da sociedade moderna e da comunicação global instantânea. Seja para uma chamada telefônica, mensagem de texto ou comando pela internet, os equipamentos de telecomunicação garantem conexões confiáveis. A fonte de alimentação que opera nos bastidores é um componente essencial que raramente é reconhecido.

Este artigo se concentra no MAX15258 da Analog Devices, que foi projetado para acomodar até dois drivers MOSFET e quatro MOSFETs externos em configurações monofásicas ou bifásicas de reforço/inversão-buck-boost. É possível combinar dois dispositivos para operação trifásica ou quadrifásica, obtendo níveis mais altos de potência de saída e eficiência.

Atendendo a necessidade de aumento da demanda de energia

A demanda de energia no setor de telecomunicação tem crescido ao longo do tempo, impulsionada por desenvolvimentos em tecnologia, aumento do tráfego de rede e expansão da infraestrutura de telecomunicação. A transição das redes de terceira geração (3G) para as de quarta geração (4G) e quinta geração (5G) levou a equipamentos avançados e de alta potência.

A implantação da tecnologia 5G teve um impacto significativo nos requisitos de energia das estações-base e torres de celular. As estações-base, especialmente as que estão em áreas urbanas, exigem níveis de potência mais altos para suportar o maior número de antenas e unidades de rádio necessárias para configurações MIMO (Multiple Input, Multiple Output) massivas e beamforming.

A redundância é outro fator crucial. As fontes de alimentação devem ser projetadas com redundância em mente, muitas vezes incluindo fontes de energia de backup, como baterias ou geradores, para garantir a operação ininterrupta em caso de falta de energia.

Em comparação com as gerações anteriores de redes sem fio, a implantação da tecnologia móvel 5G introduz várias mudanças nos requisitos dos dispositivos de energia. Para que o 5G cumpra sua promessa de comunicação confiável, de alta velocidade e baixa latência, alguns critérios devem ser atendidos.

Requisitos do amplificador de potência

• Suportar um amplo espectro de bandas de frequência, incluindo frequências abaixo de 6 GHz e mmWave (ondas milimétricas), que apresentam desafios exclusivos para a propagação de sinais.
• Acomodar larguras de banda de sinal mais amplas e níveis de potência mais altos, além de fornecer amplificação linear para evitar a distorção de sinais de alta taxa de dados.
• Operar com eficiência para minimizar o consumo de energia e a geração de calor, especialmente para dispositivos alimentados por bateria e pequenas células remotas.
• Incluir um fator de forma leve e compacto que possa ser encaixado em gabinetes pequenos, como locais de pequenas células e equipamentos de usuário.
• Incorporar materiais e tecnologias avançados, como dispositivos semicondutores feitos de nitreto de gálio (GaN) e carbeto de silício (SiC), para proporcionar maior densidade de potência, melhor desempenho e frequências operacionais mais altas.

Requisitos de conversão de potência

Por motivos históricos, práticos e técnicos, os sistemas de telecomunicação normalmente utilizam uma fonte de alimentação de -48 V_CC. Em caso de mau funcionamento da rede elétrica ou outra emergência, as redes de telecomunicação exigem fontes de energia de backup confiáveis. Comumente usadas para energia de reserva, as baterias de chumbo-ácido também podem operar a -48 V_CC. Usar a mesma tensão para a energia primária e de backup facilita o projeto e a manutenção dos sistemas de backup. Além disso, tensões mais baixas, como -48 V_CC, são mais seguras para o pessoal que trabalha com equipamentos de telecomunicação, reduzindo o risco de choque elétrico e lesões.

As fontes de alimentação para equipamentos de telecomunicação devem atender a requisitos operacionais específicos para garantir confiabilidade e eficiência. Aqui estão algumas especificações importantes:

• Faixa de tensão de entrada: a fonte de alimentação deve ser projetada para tolerar uma ampla faixa de tensão de entrada.
• Regulagem de tensão: a fonte de alimentação deve fornecer uma tensão de saída estável e regulada de acordo com os requisitos do equipamento de telecomunicação.
• Alta eficiência: as fontes de alimentação devem ser altamente eficientes para reduzir a perda e o consumo de energia. A eficiência típica é de pelo menos 90%.
• Redundância: para garantir uma operação ininterrupta, as fontes de alimentação frequentemente incluem recursos de redundância, como N+1, em que uma fonte de alimentação adicional é usada. Se uma falhar, a outra pode assumir a carga.
• Substituível em funcionamento: em instalações de missão crítica, as fontes de alimentação devem poder ser substituídas em funcionamento, garantindo um tempo mínimo de inatividade durante a substituição ou manutenção.
• Alta confiabilidade: a fonte de alimentação deve ser equipada com mecanismos de proteção para evitar danos causados por condições operacionais adversas, como sobrecorrente, sobretensão e curtos-circuitos.

O conversor forward de grampo ativo

O conversor forward de grampo ativo (ACFC) é uma configuração de conversor CC/CC comum em sistemas de fonte de alimentação e é utilizado principalmente para converter -48 V_CC em níveis de tensão positivos. O ACFC é um circuito de conversão de tensão que integra características do conversor forward e do circuito de grampo ativo para aumentar a eficiência. Essa tecnologia é predominante em sistemas de fontes de alimentação para telecomunicação e aparelhos de data center.

O elemento central do ACFC é um transformador (Figura 1). O enrolamento principal do transformador recebe a tensão de entrada, resultando na indução de uma tensão no enrolamento secundário. A tensão de saída do transformador é determinada por sua relação de espiras.

O circuito de grampo ativo, que incorpora chaves semicondutoras suplementares e um capacitor, regula e controla a energia contida na indutância de fuga do transformador. Quando a chave primária está desligada, a energia armazenada na indutância de fuga é redirecionada para o capacitor de grampo, evitando assim picos de tensão. Essa prática reduz a tensão sobre a chave primária e aumenta a eficácia operacional. A tensão do enrolamento secundário do transformador é retificada por um diodo, e a tensão de saída é suavizada por um capacitor de filtro de saída. Por fim, o ACFC opera com chaveamento suave, o que significa que as transições de chaveamento são mais suaves e produzem menos ruído. Isso resulta em interferência eletromagnética (EMI) reduzida e menores perdas de chaveamento.

Figura 1: a topologia do ACFC. (Fonte: Analog Devices)

O circuito do ACFC reduz os picos de tensão e o estresse nos componentes, levando a uma maior eficiência, especialmente em altas taxas de tensão de entrada para saída. Além disso, ele pode lidar com uma ampla gama de tensões de entrada, o que o torna adequado para aplicações de telecomunicação e de data center com tensões de entrada variáveis.

As desvantagens do circuito de grampo ativo incluem:

• Se não for limitado a um valor máximo, um ciclo de trabalho maior pode resultar em saturação do transformador ou estresse de tensão adicional na chave principal, exigindo o dimensionamento preciso do capacitor de grampeamento.
• O ACFC é um conversor CC/CC de estágio único. À medida que o nível de potência aumenta, aumentam as vantagens de um projeto multifásico para aplicações com uso intensivo de energia, como os de telecomunicação.
• Um projeto forward de grampo ativo não pode ser dimensionado para uma potência de saída mais alta e manter um desempenho semelhante.

Superando os limites do ACFC

O MAX15258 da Analog Devices é um controlador boost multifásico de alta tensão com uma interface digital I²C projetado para aplicações industriais e de telecomunicação. O dispositivo apresenta uma ampla faixa de tensão de entrada de 8 V a 76 V para configuração boost e de -8 V a -76 V para configuração buck/boost inversora. A faixa de tensão de saída, de 3,3 V a 60 V, abrange os requisitos de várias aplicações, incluindo dispositivos de telecomunicação.

Uma aplicação típica desse versátil CI é a fonte de alimentação de uma macrocélula ou femtocélula 5G mostrada na Figura 2. O recurso de hot-swap é garantido por um controlador de hot-swap de tensão negativa, como o ADM1073 da ADI, alimentado por -48 V_CC. A mesma tensão alimenta o conversor buck/boost MAX15258, que é capaz de fornecer até 800 W de potência de saída.

Figura 2: diagrama de blocos de um estágio de fonte de alimentação para aplicações 5G. (Fonte: Analog Devices)

O MAX15258 foi projetado para suportar até dois drivers MOSFET e quatro MOSFETs externos em configurações boost/inversão-buck-boost monofásicas ou bifásicas. Ele também combina dois dispositivos para operação trifásica ou quadrifásica. Ele tem um deslocador de nível FB de alta tensão interno para detectar diferencialmente a tensão de saída quando configurado como um conversor de inversão-buck-boost. Por meio de um pino de entrada de referência dedicado ou de uma interface digital I²C, a tensão de saída pode ser configurada dinamicamente.

Um resistor externo pode ser usado para ajustar o oscilador interno, ou o regulador pode ser sincronizado com um clock externo para manter uma frequência de chaveamento constante. Suporta frequências de chaveamento de 120 kHz a 1 MHz. O controlador também é protegido contra sobrecorrente, sobretensão de saída, subtensão de entrada e desligamento térmico.

O resistor no pino OVP determina o número de fases para o controlador. Essa identificação é usada para determinar como o controlador responde ao sinal de clock multifásico da fase primária. Em um conversor quadrifásico, as duas fases do controlador MAX15258 ou do alvo são intercaladas em 180°, enquanto a inversão de fase entre o controlador e o alvo é de 90° (Figura 3).

Figura 3: configuração quadrifásica — formas de onda do controlador e do alvo. (Fonte: Analog Devices)

Em operações multifásicas, o MAX15258 monitora a corrente do MOSFET do lado de baixa para balancear a corrente da fase ativamente. Como feedback, o desequilíbrio de corrente é aplicado ao circuito de detecção de corrente ciclo a ciclo para ajudar a regular a corrente de carga. Isso garante uma distribuição equitativa entre as duas fases. Diferentemente dos projetos de conversores forward, os projetistas não precisam levar em conta um possível desequilíbrio de fase de 15% a 20% durante os estágios de cálculo do projeto ao usar esse CI.

Na operação trifásica ou quadrifásica, a corrente média por chip é transmitida entre o controlador e o alvo por meio de conexões diferenciais dedicadas. O controlador de modo de corrente e os dispositivos alvo regulam suas respectivas correntes para que todas as fases compartilhem equitativamente a corrente de carga.

A fonte de alimentação buck-boost inversora quadrifásica intercalada mostrada na Figura 4 é adequada para aplicações que exigem grandes quantidades de energia. Os sinais CSIO+ e CSIO- conectam os dois controladores, e os pinos SYNC são conectados para garantir a sincronização do clock para o esquema de intercalação de fases com fases coordenadas.

Figura 4: fonte de alimentação buck-boost inversora quadrifásica de 800 W, -48 V_IN a +48 V_OUT. (Fonte: Analog Devices)

O MAX15258 é um conversor boost de baixa frequência. Isso reduz a principal fonte de perda de energia dos conversores — as perdas de chaveamento. Como cada conversor opera em sua área de baixa perda em baixa frequência, isso oferece alta potência de saída em uma frequência total equivalente alta. Isso o torna o dispositivo ideal para a conversão de -48 V_CC.

Operando com um ciclo de trabalho estável, ele obtém uma alta potência de saída com eficiência extremamente alta. A Figura 5 mostra as curvas de eficiência de um projeto de referência de um MAX15258 de 800 W baseado em indutor acoplado para várias combinações de V_IN e V_OUT. Como resultado da redução das perdas de condução, os gráficos mostram claramente valores de eficiência superiores a 98%.

Figura 5: eficiência vs corrente de carga de saída de um projeto de referência de um MAX15258 CL de 800 W. (Fonte: Analog Devices)

Conclusão

As fontes de alimentação desempenham um papel importante no setor de telecomunicação. Devido à sua capacidade de obter alta eficiência e minimizar as perdas de energia, os conversores forward de grampo ativo (ACFCs) são os preferidos nos projetos de fontes de alimentação para telecomunicação. Entretanto, limitações inerentes podem prejudicar sua eficácia em circunstâncias específicas. Para superar as limitações dos conversores forward de grampo ativo, surgiu uma nova geração de tecnologias de fonte de alimentação que oferece maior eficiência, maior densidade de potência e mecanismos de controle simplificados. No setor de telecomunicação, essas novas soluções abrem caminho para fontes de alimentação mais avançadas e otimizadas.