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48V母線點對點降壓Small cell電源解決方案
改變架構 從根本解決問題

【作者: 毛敏】   2016年04月22日 星期五

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隨著Small cell功率密度不斷增高的要求,對Small cell電源的設計帶來了全新的挑戰。提高單級電源效率,提升工作頻率的,提升散熱效率的傳統思路已經不能應對如今Small cell對體積的苛刻要求了。只有改變整個供電的架構,才有可能從根本上來解決體積的問題。


去掉12V的中間級匯流排,直接從48V母線降壓到應用端(5V),是目前最能有效解決體積問題的一個思路。VICOR提供了高效率的48V母線零電壓(ZVS)降壓器,能?明客戶快速的縮小產品體積,可靠的設計整機電源,有效的控制產品成本等優勢。


由於選址難,建站成本和部署成本高等原因,宏站的再選址將是未來LTE部署的大問題。特別是已經高度城市化的大城市城區。而今在覆蓋城區盲點,提高資料輸送量,改善客戶體驗上最有效的辦法就是採用Small cell。 為了配合建築物的整體審美需求,Small cell的體積也在不斷的被壓縮。電源供應器被要求不斷的提高效率,提升頻率,提高散熱效率來壓縮體積。在現有成熟的技術條件下,電源能被壓縮的體積已經不多了。


唯一能快速壓縮體積的辦法就是改掉現有的供電架構。去掉12V的中間母線,從48V母線直接降壓到應用端,節省一級轉換器的空間是現在最有效的壓縮體積的方法。Small cell的核心電源需求之一就是RRU驅動的5V/50W 以及BTS需要的5V/50W。


VICOR的PI354X系列ZVS(零電壓)降壓器的方案,能提供48V母線直接降壓到2.5V,3.3V,5V,12V的高功率(輸出高達10A),高集成度(集成上下管),高效率(48V轉5V最高效率超過93%),小尺寸(10 x 10mm)的解決方案。


傳統Small cell的電源架構

圖一演示了一個傳統的Small cell的電源架構。其中藍色方框的12V部分,只是作為了一個中間匯流排作用,沒有應用端直接用12V供電的情況。48V轉12V大概會佔據到10平方釐米的PCB面積,如果加上散熱,面積會更大一些。要節省出這些面積對於只有機上盒大小,已經多次優化過的成熟的一些Small cell產品來說,是很困難的。現在唯一可行辦法就是去掉中間級12V,從48V直接轉5V,省掉一級電源來節省空間。


但是由於48V直接轉5V有著以下的問題:


A.轉化效率不高(通常在88%上下),B.開關頻率低(通常500K以內),C.電感器巨大等主要原因,採用傳統的同步整流的降壓器結構,不僅不能有效的實現面積減小的訴求,而且會因為效率低下帶來散熱問題,和系統可靠性下降的問題。所以傳統的電源架構只採取2級轉換方式,先從48V轉到12V,再從12V轉到5V。沒有辦法應對Small cell的小體積的訴求。


圖2展示了VICOR的48V轉5V的電源架構,去掉了12V的中間母線。高效率的零電壓開通方式,並且實現了BTS和RRU的分佈供電,PCB占板面積只有4平方釐米。



圖1 : 傳統Small cell的電源架構
圖1 : 傳統Small cell的電源架構

圖2 : VICOR的Small cell電源架構
圖2 : VICOR的Small cell電源架構

ZVS(零電壓)降壓器與傳統同步整流降壓器的拓撲比較

同步整流的BUCK(降壓)電路,下管因為寄生二極體的原因,實現了零電壓的開通。對上管實現零電壓開通,在高壓(48V母線)輸入的情況下,對提升整體效率,功率密度,提高工作頻率就有很重要的意義。


對硬開關而言,


A .在開通和關斷期間,MOSFET會承受高電流和高電壓的應力,當開關頻率與輸入電壓增高的時候,這些損耗同時增大,限制了可以達到的最高工作頻率,效率和功率密度。


B. 對大功率MOSFET柵極驅動電路內的米勒(Miller)電荷功耗較高,導致柵極驅動損耗也較高。


C. 當上管MOSFET導通和關閉時,高的脈衝電流將會通過下管MOSFET本身寄生的體二極體。體二極體導通的時間越長,反向恢復損耗和體二極體導通損耗便越高。


圖3與圖4分別顯示了VICOR的PI354X系列的高壓(48V母線)的ZVS降壓器與傳統同步整流降壓器在拓撲上的區別。



圖3 : VICOR的ZVS降壓器拓撲
圖3 : VICOR的ZVS降壓器拓撲

VICOR 的ZVS拓撲的特點:

A. 最高輸入電壓也能高頻率工作。


B. 零電壓諧振軟起動(高效率,低雜訊)。


C. 鉗位元開關,保留ZVS能量。


D. 超短的MOSFET寄生體二極體導通時間。


E. 只需要很小的工作電感。


F. 低的開關和柵極驅動損耗。


G. 輸出紋波為乾淨的正弦波。無毛刺雜訊。



圖4 : 傳統同步整流BUCK電流拓撲
圖4 : 傳統同步整流BUCK電流拓撲

傳統同步整流BUCK電路拓撲缺點如下:


A. 較低的工作頻率(受開關損耗限制),無法有效減小電感的體積。


B. 硬開關(振鈴)的高損耗。


C. 更長的MOSFET寄生體二極體導通時間。


D. 柵極驅動損耗較高。


E. 輸出電感值和體積較大。


F. 輸出紋波有較大雜訊。


圖5/圖6,圖7/圖8從工作波形上分別展示了VICOR 的ZVS-BUCK和傳統的同步整流BUCK 拓撲的優缺點。



圖5 : VICOR ZVS-BUCK波形演示,示意電路圖
圖5 : VICOR ZVS-BUCK波形演示,示意電路圖

圖6 : VICOR的 ZVS-BUCK轉化器的工作波及其優點。
圖6 : VICOR的 ZVS-BUCK轉化器的工作波及其優點。

從圖4波形可以很清楚的看到Q1是從零電壓開始導通的。Q1的損耗主要就是RDson造成的。由於Clamp電路的存在,VS在上管開通前沒有發生振盪。有效的把振盪消耗的能力存儲了起來,減小了米勒電荷效應的損耗。而圖8可以看出,硬開關造成的開關損耗,是制約其提高開關頻率,提升效率的瓶頸。



圖7 : 傳統同步整流BUCK的示意圖
圖7 : 傳統同步整流BUCK的示意圖

圖8 : 傳統同步整流BUCK轉換器的波形及其缺點。
圖8 : 傳統同步整流BUCK轉換器的波形及其缺點。

ZVS-BUCK的工作波形以及電感電流詳解

VICOR的ZVS-BUCK的簡易電路如圖五所示,詳細工作波形見圖6。對這個ZVS電路的理解關鍵在於對電感電流的狀態的理解。圖9展示了電感電流在整個工作週期裡面的變化情況。


在Clamp導通的階段,短路了電感,電感電流保持一個恒定值,避免了VS的振盪。在所有管子都關斷的階段,反向的電感電流給Q1充電到Q1的DS電壓為零。為下一階段Q1的零電壓開通創造條件。



圖9 : 電感電流在整個週期不同狀態下的形態
圖9 : 電感電流在整個週期不同狀態下的形態

PI3545參考電路以及Layout


圖10 : PI3545 簡單易用的電路圖
圖10 : PI3545 簡單易用的電路圖

在Layout佈局,僅僅需要4 平方釐米的PCB空間;而在48V輸入的時候,最高可以提供高達93%的效率。轉換高效率證明了這個方案在熱處理上的可行性,以及系統的可靠性。


結論

本文主要介紹了傳統電源架構在Small cell應用中面臨的挑戰和問題,以及VICOR公司的ZVS-BUCK新型48V轉5V降壓器帶來的減小產品尺寸,提升效率的特點,解決Small cell體積縮小帶來的挑戰。


(作者毛敏任職於VICOR公司)


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