เพิ่มประสิทธิภาพแหล่งจ่ายไฟในระบบโทรคมนาคม

ภาคโทรคมนาคมได้กลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของสังคมสมัยใหม่และการสื่อสารระดับโลกขึ้นมาในทันที ไม่ว่าจะเป็นการโทร ข้อความ หรือเว็บคอมมานด์ อุปกรณ์โทรคมนาคมก็รับประกันการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ แต่แหล่งจ่ายไฟที่ทำงานเบื้องหลังเป็นองค์ประกอบสำคัญที่ไม่ค่อยมีใครสังเกตเห็น

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ Analog Devices MAX15258 ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับไดรเวอร์มอสเฟตสูงสุดสองตัวและมอสเฟตภายนอกสี่ตัวในรูปแบบบูสต์/อินเวอร์ติ้งบัคบูสต์แบบเฟสเดียวหรือสองเฟส สามารถรวมอุปกรณ์สองตัวเข้าด้วยกันสำหรับการทำงานแบบสามเฟสหรือสี่เฟส เพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตและระดับประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

การตอบสนองความต้องการพลังงานไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น

ความต้องการพลังงานในอุตสาหกรรมโทรคมนาคมเติบโตขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป โดยได้แรงหนุนจากการพัฒนาเทคโนโลยี การรับส่งข้อมูลเครือข่ายที่เพิ่มขึ้น และการขยายโครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคม การเปลี่ยนผ่านจากเครือข่ายเจนเนอเรชั่นที่สาม (3G) ไปเป็นเครือข่ายเจนเนอเรชั่นที่สี่ (4G) และเจนเนอเรชั่นที่ห้า (5G) ได้นำไปสู่อุปกรณ์ที่ล้ำสมัยและมีกำลังสูง

การปรับใช้เทคโนโลยี 5G มีผลกระทบอย่างมากต่อความต้องการพลังงานไฟฟ้าของสถานีฐานและเสาส่งสัญญาณ สถานีฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตเมือง จำเป็นต้องมีระดับพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อรองรับจำนวนเสาอากาศและหน่วยวิทยุที่เพิ่มขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการกำหนดค่า MIMO (หลายอินพุตหลายเอาต์พุต) และบีมฟอร์มมิ่ง

การซ้ำสำรอง (Redundancy) เป็นอีกปัจจัยสำคัญ อุปกรณ์จ่ายไฟต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงการซ้ำสำรอง โดยมักจะรวมถึงแหล่งพลังงานสำรอง เช่น แบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานจะไม่หยุดทำงานในกรณีที่ไฟฟ้าดับ

เมื่อเปรียบเทียบกับเครือข่ายไร้สายรุ่นก่อนๆ การใช้เทคโนโลยีมือถือ 5G ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดของอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายประการ เพื่อให้ 5G ส่งมอบการสื่อสารที่เชื่อถือได้ ความเร็วสูง และเวลาแฝงต่ำ เกณฑ์บางประการจะต้องได้รับการแก้ไข

ข้อกำหนดของเพาเวอร์แอมพลิฟายเออร์

• รองรับคลื่นความถี่ที่หลากหลาย รวมถึงความถี่ต่ำกว่า 6 GHz และ mmWave (มิลลิเมตรคลื่น) ซึ่งนำเสนอความท้าทายเฉพาะสำหรับการแพร่กระจายสัญญาณ
• รองรับแบนด์วิดท์สัญญาณที่กว้างขึ้นและระดับพลังงานที่สูงขึ้น พร้อมทั้งให้การขยายเชิงเส้นเพื่อป้องกันการบิดเบือนของสัญญาณที่มีอัตราข้อมูลสูง
• ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดการใช้พลังงานและการสร้างความร้อน โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และเซลล์ขนาดเล็กที่อยู่ห่างไกล
• รวมฟอร์มแฟคเตอร์น้ำหนักเบาและกะทัดรัดที่สามารถใส่ลงในกล่องขนาดเล็กได้ เช่น เซลล์ไซต์ขนาดเล็กและอุปกรณ์ของผู้ใช้
• ผสมผสานวัสดุและเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทำจากแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน สมรรถนะที่เพิ่มขึ้น และความถี่ในการทำงานที่เพิ่มขึ้น

ข้อกำหนดการแปลงพลังงาน

ด้วยเหตุผลทางการใช้งานในอดีต ในทางปฏิบัติ และทางเทคนิค โดยทั่วไประบบโทรคมนาคมจะใช้แรงดันแหล่งจ่ายไฟฟ้า -48 V_DC ในกรณีที่โครงข่ายทำงานผิดปกติหรือเกิดเหตุฉุกเฉินอื่นๆ เครือข่ายโทรคมนาคมจำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานสำรองที่เชื่อถือได้ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ใช้กันทั่วไปสำหรับพลังงานสำรองสามารถทำงานได้ที่ -48 V_DC การใช้แรงดันไฟฟ้าเดียวกันสำหรับทั้งพลังงานหลักและพลังงานสำรองทำให้การออกแบบและบำรุงรักษาระบบสำรองทำได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า เช่น -48 V_DC ปลอดภัยกว่าสำหรับบุคลากรที่ทำงานกับอุปกรณ์โทรคมนาคม ช่วยลดความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อตและการบาดเจ็บ

แหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์โทรคมนาคมต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการปฏิบัติงานเฉพาะเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ ต่อไปนี้เป็นข้อกำหนดที่สำคัญบางประการ:

• ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต: แหล่งจ่ายไฟควรได้รับการออกแบบให้ทนต่อช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้าง
• การควบคุมแรงดันไฟฟ้า: แหล่งจ่ายไฟจะต้องให้แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่เสถียรและได้รับการควบคุมตามข้อกำหนดของอุปกรณ์โทรคมนาคม
• ประสิทธิภาพสูง: อุปกรณ์จ่ายไฟควรมีประสิทธิภาพสูงเพื่อลดการสูญเสียพลังงานและการใช้พลังงาน ประสิทธิภาพควรมีค่าอย่างน้อย 90%
• ระบบซ้ำสำรอง: เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานไม่หยุดชะงัก แหล่งจ่ายไฟมักมีคุณสมบัติสำรอง เช่น N+1 ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติม หากตัวหนึ่งล้มเหลว อีกตัวก็สามารถรับภาระได้
• สามารถสลับใช้งานระหว่างทำงาน (Hot-swap): ในการติดตั้งที่มีภารกิจสำคัญ อุปกรณ์จ่ายไฟควรเป็นแบบสามารถสลับใช้งานระหว่างทำงาน เพื่อให้มั่นใจว่าระบบจะหยุดทำงานน้อยที่สุดในระหว่างการเปลี่ยนหรือการบำรุงรักษา
• ความน่าเชื่อถือสูง: แหล่งจ่ายไฟควรติดตั้งกลไกป้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายที่เกิดจากสภาวะการทำงานที่ไม่พึงประสงค์ เช่น กระแสไฟเกิน แรงดันไฟเกิน และการลัดวงจร

ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟแคลมป์

ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟแคลมป์ (ACFC) คือรูปแบบตัวแปลง DC/DC ทั่วไปในระบบจ่ายไฟ และใช้สำหรับการแปลง -48 V_DC ถึงระดับแรงดันบวกเป็นหลัก ACFC เป็นวงจรแปลงแรงดันไฟฟ้าที่รวมคุณลักษณะจากฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์และวงจรแอคทีฟแคลมป์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เทคโนโลยีนี้แพร่หลายในระบบจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์โทรคมนาคมและศูนย์ข้อมูล

องค์ประกอบส่วนกลางของ ACFC คือหม้อแปลงไฟฟ้า (รูปที่ 1) ขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ส่งผลให้เกิดการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิ แรงดันเอาต์พุตของหม้อแปลงถูกกำหนดโดยอัตราส่วนจำนวนรอบ

วงจรแอคทีฟแคลมป์ซึ่งประกอบด้วยสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์เสริมและตัวเก็บประจุ จะควบคุมพลังงานที่อยู่ภายในตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหลของหม้อแปลง เมื่อสวิตช์หลักปิดอยู่ พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหลจะถูกเปลี่ยนเส้นทางไปยังตัวเก็บประจุแบบแคลมป์ เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงแบบทันทีทันใด แนวทางปฏิบัตินี้ช่วยลดความเครียดบนสวิตช์หลักและเพิ่มประสิทธิภาพในการดำเนินงาน แรงดันไฟฟ้าจากขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงจะถูกปรับแก้โดยไดโอด และแรงดันเอาต์พุตจะถูกปรับโดยตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุต สุดท้ายนี้ ACFC จะทำงานโดยใช้ซอฟต์สวิตช์ ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนผ่านจะราบรื่นขึ้นและสร้างสัญญาณรบกวนน้อยลง ส่งผลให้สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ลดลง และลดการสูญเสียสวิตชิ่ง

รูปที่ 1: โทโพโลยี ACFC (แหล่งที่มา: Analog Devices)

วงจร ACFC ช่วยลดแรงดันไฟกระชากและความเค้นบนส่วนประกอบต่างๆ ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีขึ้น โดยเฉพาะที่อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่อเอาต์พุตที่สูง นอกจากนี้ ยังสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตได้หลากหลาย ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านโทรคมนาคมและศูนย์ข้อมูลที่มีแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่แตกต่างกัน

ข้อเสียของวงจรแอคทีฟแคลมป์มีดังต่อไปนี้:

• หากไม่ถูกจำกัดไว้ที่ค่าสูงสุด รอบการทำงานที่เพิ่มขึ้นอาจส่งผลให้เกิดความอิ่มตัวของหม้อแปลงหรือความเครียดแรงดันเพิ่มเติมบนสวิตช์หลัก ซึ่งจำเป็นต้องมีขนาดตัวเก็บประจุแบบแคลมป์ที่แม่นยำ
• ACFC เป็นตัวแปลง DC เป็น DC แบบขั้นตอนเดียว เมื่อระดับพลังงานเพิ่มขึ้น ข้อดีของการออกแบบหลายเฟสสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานมาก เช่น โทรคมนาคม ก็จะเพิ่มขึ้น
• การออกแบบแบบแอคทีฟแคลมป์ฟอร์เวิร์ดไม่สามารถปรับขนาดให้มีกำลังเอาท์พุตที่สูงขึ้นได้ และรักษาประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกัน

ก้าวข้ามขีดจำกัดของ ACFC

MAX15258 ของ Analog Devices คือตัวควบคุมบูสต์ไฟฟ้าแรงสูงแบบหลายเฟสพร้อม I² อินเทอร์เฟซดิจิทัล C ออกแบบมาเพื่อการใช้งานด้านโทรคมนาคมและอุตสาหกรรม อุปกรณ์นี้มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างตั้งแต่ 8 V ถึง 76 V สำหรับการกำหนดค่าบูสต์ และ -8 V ถึง -76 V สำหรับการกลับค่าการกำหนดค่าบั๊ก/บูสต์ ช่วงแรงดันเอาต์พุตตั้งแต่ 3.3 V ถึง 60 V ครอบคลุมข้อกำหนดการใช้งานต่างๆ รวมถึงอุปกรณ์โทรคมนาคม

การใช้งานทั่วไปของไอซีอเนกประสงค์นี้คือแหล่งจ่ายไฟสำหรับมาโครเซลล์หรือเฟมโตเซลล์ 5G ดังแสดงในรูปที่ 2 คุณสมบัติ Hot-swap รับประกันด้วยตัวควบคุม Hot-swap แรงดันลบ เช่น ADM1073 ของ ADI, ขับเคลื่อนโดย -48 V_DC แรงดันไฟฟ้าเดียวกันนี้จ่ายให้กับตัวแปลงบั๊ก/บูสต์ MAX15258 ซึ่งสามารถจ่ายไฟเอาท์พุตได้สูงถึง 800 W

รูปที่ 2: แผนภาพของระยะการจ่ายไฟสำหรับ 5G (แหล่งที่มา: Analog Devices)

MAX15258 ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับไดรเวอร์มอสเฟตสูงสุดสองตัวและมอสเฟตภายนอกสี่ตัวในการกำหนดค่าบูสต์/อินเวอร์ติ้งบัคบูสต์เฟสเดียวหรือสองเฟส นอกจากนี้ยังรวมอุปกรณ์สองตัวสำหรับการทำงานแบบสามเฟสหรือสี่เฟสเข้าด้วยกัน มีตัวเปลี่ยนระดับ FB แรงดันสูงภายในสำหรับการตรวจจับแรงดันเอาต์พุตที่แตกต่างกัน เมื่อกำหนดค่าเป็นตัวแปลงอินเวิร์ทติงบั๊คบูสต์ ผ่านพินอินพุตอ้างอิงเฉพาะหรือผ่าน I² อินเทอร์เฟซดิจิตอล C แรงดันเอาต์พุตสามารถตั้งค่าแบบไดนามิก

สามารถใช้ตัวต้านทานภายนอกเพื่อปรับออสซิลเลเตอร์ภายใน หรือสามารถซิงโครไนซ์ตัวควบคุมกับนาฬิกาภายนอกเพื่อรักษาความถี่สวิตชิ่งให้คงที่ โดยรองรับความถี่สวิตชิ่งตั้งแต่ 120 kHz จนถึง 1 MHz ตัวควบคุมยังได้รับการป้องกันจากกระแสเกิน แรงดันเอาต์พุตเกิน แรงดันอินพุตตก และการปิดระบบเนื่องจากความร้อน

ตัวต้านทานที่พิน OVP กำหนดจำนวนเฟสให้กับคอนโทรลเลอร์ เพื่อกำหนดวิธีที่ตัวควบคุมตอบสนองต่อสัญญาณนาฬิกาหลายเฟสของเฟสหลัก ในตัวแปลงควอดเฟส สองเฟสของคอนโทรลเลอร์ MAX15258 หรือเป้าหมายจะถูกสลับกัน 180° ในขณะที่การเปลี่ยนเฟสระหว่างคอนโทรลเลอร์และเป้าหมายคือ 90° (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: รูปแบบควอดเฟส - รูปคลื่นคอนโทลเลอร์และเป้าหมาย (แหล่งที่มา: Analog Devices)

ในการดำเนินการหลายเฟส MAX15258 จะตรวจสอบกระแสมอสเฟตด้านต่ำเพื่อการปรับสมดุลกระแสไฟฟ้าเฟสที่ใช้งานอยู่ จากผลป้อนกลับ ความไม่สมดุลของกระแสจะถูกนำไปใช้กับวงจรตรวจจับกระแสแบบรอบต่อรอบ เพื่อช่วยควบคุมกระแสโหลด ซึ่งทำให้แน่ใจได้ว่ามีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันระหว่างทั้งสองเฟส ต่างจากการออกแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ ผู้ออกแบบไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงความไม่สมดุลของเฟสที่เป็นไปได้ 15% ถึง 20% ในระหว่างขั้นตอนการคำนวณการออกแบบเมื่อใช้ไอซีนี้

ในการทำงานแบบสามเฟสหรือสี่เฟส กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยต่อชิปจะถูกส่งระหว่างตัวควบคุมและเป้าหมายผ่านการเชื่อมต่อแบบดิฟเฟอเรนเชียลเฉพาะ คอนโทรลเลอร์โหมดกระแสและอุปกรณ์เป้าหมายจะควบคุมกระแสตามลำดับเพื่อให้ทุกเฟสแบ่งปันกระแสโหลดอย่างเท่าเทียมกัน

แหล่งจ่ายไฟอินเวิร์ทติงบั๊คบูสต์อินเทอร์ลีฟสี่เฟสที่แสดงในรูปที่ 4 เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการพลังงานจำนวนมาก สัญญาณ CSIO+ และ CSIO– เชื่อมต่อตัวควบคุมสองตัว และพิน SYNC เชื่อมต่ออยู่เพื่อให้แน่ใจว่าการซิงโครไนซ์นาฬิกาสำหรับรูปแบบการสลับเฟสกับเฟสที่ประสานกัน

รูปที่ 4: เวิร์ทติงบั๊คบูสต์สี่เฟส -48 V_IN ถึง +48 V_OUT แหล่งจ่ายไฟ 800 วัตต์ (แหล่งที่มา: Analog Devices)

MAX15258 เป็นตัวแปลงบูสต์ความถี่ต่ำ ซึ่งจะช่วยลดแหล่งที่มาหลักของการสูญเสียพลังงานของคอนเวอร์เตอร์ นั่นคือการสูญเสียสวิตชิ่ง เนื่องจากคอนเวอร์เตอร์แต่ละตัวทำงานในพื้นที่ที่มีการสูญเสียต่ำที่ความถี่ต่ำ จึงมีกำลังเอาท์พุตสูงที่ความถี่รวมที่เทียบเท่ากันในระดับสูง ทำให้เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสำหรับการแปลง -48 V_DC

การทำงานด้วยรอบการทำงานที่คงที่ ทำให้ได้กำลังขับสูงพร้อมประสิทธิภาพที่สูงมาก รูปที่ 5 แสดงกราฟประสิทธิภาพของการออกแบบอ้างอิง MAX15258 800 W ที่ใช้ตัวเหนี่ยวนำคู่สำหรับการผสมผสาน V_IN และ V_OUT ผลจากการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่ลดลง ทำให้ค่าประสิทธิภาพได้มากกว่า 98% อย่างชัดเจน

รูปที่ 5: ประสิทธิภาพเทียบกับกระแสโหลดเอาต์พุตของการออกแบบอ้างอิง MAX15258 CL 800 W (แหล่งที่มา: Analog Devices)

สรุป

แหล่งจ่ายไฟมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมโทรคมนาคม เนื่องจากความสามารถในการทำให้ประสิทธิภาพสูงและลดการสูญเสียพลังงาน ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟแคลมป์ (ACFC) จึงเป็นที่นิยมในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟในภาคโทรคมนาคม อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของอุปกรณ์อาจลดประสิทธิภาพลงในบางสถานการณ์ เพื่อเอาชนะข้อจำกัดของตัวแปลงแบบแคลมป์ฟอร์เวิร์ดแบบแอคทีฟ เทคโนโลยีแหล่งจ่ายไฟรุ่นใหม่จึงได้ถือกำเนิดขึ้น โดยนำเสนอประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น และกลไกการควบคุมที่ง่ายขึ้น ในอุตสาหกรรมโทรคมนาคม โซลูชันใหม่เหล่านี้ปูทางไปสู่การจ่ายไฟขั้นสูงและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น