Atteindre un haut rendement dans les alimentations de télécommunications

Le secteur des télécommunications est devenu un élément important de la société moderne et des communications mondiales instantanées. Qu'il s'agisse d'un appel téléphonique, d'un message texte ou d'une commande Web, les équipements de télécommunications garantissent des connexions fiables. L'alimentation fonctionnant en coulisses est un composant essentiel rarement reconnu.

Cet article s'intéresse au MAX15258 d'Analog Devices, un dispositif conçu pour accepter jusqu'à deux circuits d'attaque MOSFET et quatre MOSFET externes dans des configurations de type élévateur/inverseur-abaisseur-élévateur à une ou deux phases. Il est possible de combiner deux dispositifs pour un fonctionnement à trois ou quatre phases, afin d'obtenir des niveaux de rendement et de puissance de sortie plus élevés.

Répondre à une demande d'énergie accrue

La demande en matière d'énergie dans le secteur des télécommunications a augmenté au fil du temps, sous l'effet des évolutions technologiques, de l'intensification du trafic réseau et de l'expansion des infrastructures de télécommunications. La transition des réseaux de troisième génération (3G) vers les réseaux de quatrième génération (4G) et de cinquième génération (5G) a conduit à des équipements haute puissance avancés.

Le déploiement de la technologie 5G a eu un impact significatif sur les besoins en énergie des stations de base et des antennes-relais de téléphonie mobile. Les stations de base, en particulier celles situées dans les zones urbaines, requièrent des niveaux de puissance plus élevés pour prendre en charge le nombre croissant d'antennes et d'unités radio nécessaires aux configurations MIMO massives et à la formation de faisceaux.

La redondance est un autre facteur crucial. Les alimentations électriques doivent être conçues dans un souci de redondance, et inclure des sources d'alimentation de secours telles que des batteries ou des générateurs pour garantir un fonctionnement ininterrompu en cas de panne de courant.

Par rapport aux générations précédentes de réseaux sans fil, le déploiement de la technologie mobile 5G a introduit plusieurs changements dans les exigences relatives aux dispositifs d'alimentation. Pour que la 5G puisse tenir sa promesse de communications fiables, à haut débit et faible latence, certains critères doivent être pris en compte.

Exigences relatives aux amplificateurs de puissance

• Prendre en charge un large spectre de bandes de fréquences, y compris les fréquences sub-6 GHz et mmWave (ondes millimétriques), qui présentent des défis uniques pour la propagation des signaux.
• Accepter des bandes passantes de signaux plus larges et des niveaux de puissance plus élevés, tout en fournissant une amplification linéaire pour éviter la distorsion des signaux à haut débit de données.
• Fonctionner efficacement pour minimiser la consommation d'énergie et la génération de chaleur, en particulier pour les dispositifs alimentés par batterie et les petites cellules distantes.
• Inclure un facteur de forme compact et léger pouvant s'intégrer dans de petits boîtiers, tels que de petits sites cellulaires et des équipements utilisateur.
• Intégrer des matériaux et des technologies avancés tels que des dispositifs semi-conducteurs en nitrure de gallium (GaN) et en carbure de silicium (SiC) afin d'augmenter la densité de puissance, les performances et les fréquences de fonctionnement.

Exigences en matière de conversion de puissance

Pour des raisons historiques, pratiques et techniques, les systèmes de télécommunications utilisent généralement une alimentation de -48 V_CC. En cas de dysfonctionnement du réseau électrique ou d'une autre urgence, les réseaux de télécommunications requièrent des sources d'alimentation de secours fiables. Souvent utilisées comme alimentation de réserve, les batteries plomb-acide peuvent également fonctionner à -48 V_CC. L'utilisation de la même tension pour l'alimentation principale et l'alimentation de secours facilite la conception et la maintenance des systèmes de secours. De plus, des tensions plus basses, telles que -48 V_CC, sont plus sûres pour le personnel travaillant avec les équipements de télécommunications, réduisant ainsi le risque de choc électrique et de blessure.

Les alimentations électriques pour les équipements de télécommunications doivent répondre à des exigences opérationnelles spécifiques pour garantir la fiabilité et le rendement. Voici quelques spécifications importantes :

• Plage de tensions d'entrée : l'alimentation doit être conçue pour tolérer une large plage de tensions d'entrée.
• Régulation de tension : l'alimentation doit fournir une tension de sortie stable et régulée conformément aux exigences de l'équipement de télécommunications.
• Haut rendement : les alimentations doivent être hautement efficaces pour réduire les pertes de puissance et la consommation d'énergie. Des rendements d'au moins 90 % sont typiques.
• Redondance : pour garantir un fonctionnement ininterrompu, les alimentations incluent fréquemment des fonctionnalités de redondance telles que N+1 où une alimentation supplémentaire est utilisée. Si l'une tombe en panne, l'autre peut prendre le relais.
• Remplacement à chaud : dans les installations critiques, les alimentations doivent être remplaçables à chaud, garantissant ainsi un temps d'arrêt minimal lors du remplacement ou de la maintenance.
• Haute fiabilité : l'alimentation doit être équipée de mécanismes de protection pour éviter les dommages causés par des conditions de fonctionnement défavorables, telles que les surintensités, les surtensions et les courts-circuits.

Convertisseurs directs à blocage actif

Le convertisseur direct à blocage actif (ACFC) est une configuration de convertisseur CC/CC courante dans les systèmes d'alimentation, et il est principalement utilisé pour convertir -48 V_CC en niveaux de tension positifs. L'ACFC est un circuit de conversion de tension qui intègre les caractéristiques du convertisseur direct et du circuit de blocage actif pour améliorer le rendement. Cette technologie est très répandue dans les systèmes d'alimentation pour les équipements de télécommunications et de data centers.

L'élément central de l'ACFC est un transformateur (Figure 1). L'enroulement principal du transformateur reçoit la tension d'entrée, entraînant l'induction d'une tension dans l'enroulement secondaire. La tension de sortie du transformateur est déterminée par son rapport de transformation.

Le circuit de blocage actif, qui intègre un condensateur et des commutateurs à semi-conducteurs supplémentaires, régule et contrôle l'énergie contenue dans l'inductance de fuite du transformateur. Lorsque le commutateur primaire est désactivé, l'énergie stockée dans l'inductance de fuite est redirigée vers le condensateur de blocage, évitant ainsi les pics de tension. Cette pratique atténue la charge sur le commutateur primaire et améliore l'efficacité opérationnelle. La tension de l'enroulement secondaire du transformateur est redressée par une diode, et la tension de sortie est lissée par un condensateur de filtrage de sortie. Enfin, l'ACFC fonctionne avec une commutation douce, ce qui signifie que les transitions de commutation sont plus fluides et produisent moins de bruit. Cela se traduit par une réduction des interférences électromagnétiques (EMI) et des pertes de commutation.

Figure 1 : Topologie ACFC. (Source : Analog Devices)

Le circuit ACFC réduit les pics de tension et les contraintes sur les composants, ce qui conduit à un rendement amélioré, en particulier à des rapports de tension entrée/sortie élevés. De plus, il peut gérer une large plage de tensions d'entrée et convient donc aux applications de télécommunications et de data centers avec des tensions d'entrée variables.

Les inconvénients des circuits de blocage actif incluent les suivants :

• S'il n'est pas limité à une valeur maximale, un rapport cyclique accru peut entraîner une saturation du transformateur ou une contrainte de tension supplémentaire sur le commutateur principal, nécessitant un dimensionnement précis du condensateur de blocage.
• Un ACFC est un convertisseur CC/CC à un étage. Au fur et à mesure que le niveau de puissance augmente, les avantages d'une conception multiphase pour les applications à forte consommation d'énergie telles que les télécommunications s'accroissent.
• Une conception directe à blocage actif ne peut pas être adaptée à une puissance de sortie plus élevée et maintenir des performances similaires.

Surmonter les limites des ACFC

Le MAX15258 d'Analog Devices est un contrôleur élévateur multiphase haute tension avec une interface numérique I²C, conçu pour les applications télécoms et industrielles. Le dispositif présente une vaste plage de tensions d'entrée de 8 V à 76 V pour une configuration de type élévateur, et de -8 V à -76 V pour une configuration de type inverseur abaisseur/élévateur. La plage de tensions de sortie, de 3,3 V à 60 V, couvre les exigences de diverses applications, y compris les dispositifs de télécommunications.

Une application typique de ce circuit intégré polyvalent est l'alimentation pour une femtocellule ou une macrocellule 5G, illustrée à la Figure 2. La fonction de remplacement à chaud est assurée par un contrôleur remplaçable à chaud à tension négative, tel que l'ADM1073 d'ADI, alimenté par -48 V_CC. La même tension alimente le convertisseur abaisseur/élévateur MAX15258, qui est capable de fournir jusqu'à 800 W de puissance de sortie.

Figure 2 : Schéma fonctionnel d'un étage d'alimentation pour les applications 5G. (Source : Analog Devices)

Le MAX15258 est conçu pour prendre en charge jusqu'à deux circuits d'attaque MOSFET et quatre MOSFET externes dans des configurations de type élévateur/inverseur-abaisseur-élévateur à une ou deux phases. Il combine également deux dispositifs pour un fonctionnement à trois ou quatre phases. Il est également doté d'un dispositif de décalage de niveau FB haute tension interne pour la détection différentielle de la tension de sortie lorsqu'il est configuré comme convertisseur inverseur-abaisseur-élévateur. La tension de sortie peut être définie dynamiquement via une broche d'entrée de référence dédiée ou via une interface numérique I²C.

Une résistance externe peut être utilisée pour ajuster l'oscillateur interne, ou le régulateur peut être synchronisé avec une horloge externe pour maintenir une fréquence de commutation constante. Des fréquences de commutation de 120 kHz à 1 MHz sont prises en charge. Le contrôleur est également protégé contre les surintensités, les surtensions de sortie, les sous-tensions d'entrée et les blocages thermiques.

La résistance sur la broche OVP désigne le nombre de phases du contrôleur. Cette identification est utilisée pour déterminer comment le contrôleur répond au signal d'horloge multiphase de la phase primaire. Dans un convertisseur à quatre phases, les deux phases du contrôleur MAX15258 ou de la cible sont entrelacées de 180°, alors que le déphasage entre le contrôleur et la cible est de 90° (Figure 3).

Figure 3 : Configuration à quatre phases - Formes d'onde du contrôleur et de la cible. (Source : Analog Devices)

En fonctionnement multiphase, le MAX15258 surveille le courant MOSFET bas potentiel pour l'équilibrage du courant de phase actif. En retour, le déséquilibre de courant est appliqué au circuit de détection du courant cycle par cycle pour aider à réguler le courant de charge. Cela garantit une distribution équitable entre les deux phases. Contrairement aux conceptions de convertisseurs directs, les concepteurs n'ont pas besoin de prendre en compte un éventuel déséquilibre de phase de 15 % à 20 % pendant les étapes de calcul de conception lors de l'utilisation de ce circuit intégré.

En fonctionnement à trois ou quatre phases, le courant par puce moyen est transmis entre le contrôleur et la cible via des connexions différentielles dédiées. Le contrôleur en mode courant et les dispositifs cibles régulent leurs courants respectifs afin que toutes les phases partagent équitablement le courant de charge.

L'alimentation de type inverseur abaisseur-élévateur à quatre phases illustrée à la Figure 4 convient aux applications exigeant de grandes quantités de puissance. Les signaux CSIO+ et CSIO– connectent les deux contrôleurs, et les broches SYNC sont connectées pour assurer la synchronisation d'horloge pour le schéma d'entrelacement de phases avec des phases coordonnées.

Figure 4 : Alimentation 800 W, -48 V_IN à +48 V_OUT de type inverseur abaisseur-élévateur à quatre phases. (Source : Analog Devices)

Le MAX15258 est un convertisseur élévateur basse fréquence. Cela permet de réduire la principale source de perte de puissance des convertisseurs — les pertes de commutation. Étant donné que chaque convertisseur fonctionne dans sa zone de faibles pertes à basse fréquence, il offre une puissance de sortie élevée à une haute fréquence totale équivalente. Cela en fait le dispositif de choix pour convertir -48 V_CC.

Fonctionnant avec un rapport cyclique stable, il obtient une puissance de sortie élevée avec un rendement extrêmement élevé. La Figure 5 montre les courbes de rendement d'une conception de référence 800 W MAX15258 basée sur une inductance couplée pour diverses combinaisons de V_IN et V_OUT. Grâce à la réduction des pertes par conduction, les courbes affichent clairement des valeurs de rendement supérieures à 98 %.

Figure 5 : Rendement par rapport au courant de charge de sortie de la conception de référence MAX15258 CL 800 W. (Source : Analog Devices)

Conclusion

Les alimentations électriques jouent un rôle important dans l'industrie des télécommunications. En raison de leur capacité à atteindre un haut rendement et à minimiser les pertes de puissance, les convertisseurs à blocage actif (ACFC) sont privilégiés dans les conceptions d'alimentation télécoms. Toutefois, des limitations inhérentes peuvent entraver leur efficacité dans des circonstances spécifiques. Pour surmonter les limites des convertisseurs directs à blocage actif, une nouvelle génération de technologies d'alimentation a vu le jour, offrant un rendement amélioré, une densité de puissance accrue et des mécanismes de contrôle simplifiés. Dans le secteur des télécommunications, ces nouvelles solutions ouvrent la voie à des alimentations plus avancées et optimisées.