典型电信直流电源系统

电信和无线网络普遍采用-48VDC电源运行，其原因主要有以下几点。首先，-48VDC能提供足够的功率以支持电信信号，并且依据当前的安全法规和电气规范，运行在50VDC或以下的电路属于安全的低压电路，所以-48VDC对人体更为安全。其次，-48VDC便于电信运营商使用串联的12V铅酸电池作为备用电源，在电网系统断电时可维持供电。此外，相较于正电压，-48VDC被认为对金属造成的腐蚀更少，至少能抑制电偶腐蚀。

典型电信直流电源系统通常包含国家电网系统、柴油发电机、自主式交流自动切换开关（ATS）、配电系统、太阳能电池板或电路板、控制器和充电器、整流器、串联布置的备用电池，以及相应的电缆和断路器。如图1所示，当电网断电时，柴油发电机会自动启动，为直流端口系统提供交流电源，ATS可将供给设备的不同电源电压同步。由于现场大多数电信设备需要直流电源，来自电网或柴油发电机的交流电会通过整流器转换为-48VDC。这些冗余整流器用于将交流电源转换为-48VDC电源，对电池进行涓流充电并支持关键负载。电池处于浮动状态，若整流器无法提供-48VDC电源，电池将为电信设备或其他负载供电，而BTS或RRH不会察觉实际电源的差异，系统仍能正常运行。当电源恢复时，整流器将再次接管供电，整个系统就像一个大型不间断电源（UPS）。

图1.典型电信直流电源系统的示意图

正激式转换器的局限性

在将-48VDC转换为正电压的过程中，许多电信PoL设计人员会采用有源钳位正激式转换器来实现反相降压-升压设计，同时也会使用推挽式、半桥式或全桥式转换器等其他电路形式。有源钳位正激式转换器的优点是可以通过近乎无损的回收方法回收变压器泄漏的大部分能量。然而，对于PoL设计人员而言，了解有源钳位复位固有的基本时序至关重要。因为钳位电容的尺寸选择不当可能会导致PoL占空比增加，进而引发变压器饱和，影响主开关的长期可靠性。

图2展示了传统的低侧变压器复位有源钳位正激式转换器电路设计，其变压器复位机制包括CCLAMP和Q1。与有源钳位相关存在一些缺点，比如需要精确确定钳位电容的大小。电容值越大，电压纹波越小，但会限制瞬态响应。此外，有源钳位正激拓扑需要先进的控制技术来实现有源钳位和主开关栅极驱动之间的延迟时序同步。若未能将电压钳位到某个最大值，增大的占空比可能会导致变压器饱和，或给主开关带来额外的电压应力，甚至造成灾难性后果。而且，有源钳位正激式转换器属于单级DC-DC转换器，随着功率水平的提高，如5G系统中800W设备逐渐成为常态，多相设计将更具优势，而单相转换器无法获得多相交错操作带来的益处，且有源钳位正激设计难以将较低输出功率设计的结果扩展到更高输出功率。

图2.传统的低侧变压器复位钳位有源正激设计

图3为5G宏基站或毫微微基站的RRU板电源的典型简化框图，热插拔控制器通常放置在-48VDC转换器的前面，像ADM1073和LTC4284等全功能-48VDC热插拔电源管理器就非常适合这些应用。

图3.5G宏基站电源框图

重点IC器件：MAX15258

MAX15258是一款带有I2C数字接口的高压多相升压控制器，可在单相或双相升压/反相-降压-升压配置中支持多达两个MOSFET驱动器和四个外部MOSFET，两个控制器还可以堆叠构成三相或四相配置。该器件能以适当的相移量驱动各相，最大程度地消除纹波。在配置为反相降压-升压转换器时，MAX15258具备一个内部高压反馈电平转换器，用于对输出电压进行差分检测。图4为实现交错式两相反相降压-升压设计的简化框图。

图4.两相交错反相降压-升压的简化框图

与正激式转换器设计不同，使用MAX15258时，设计人员在设计计算步骤中无需考虑可能存在的（15%至20%）相位不平衡。该控制器依靠固定频率峰值电流模式架构来调节输出，能提供快速瞬态响应。它通过RSENSE监测每相的低侧MOSFET电流，并利用差分电流检测信号，确保在主机-节点配置中堆叠两个MAX15258IC时实现正确的有源相电流平衡行为。电流不平衡会作为反馈应用于逐周期电流检测电路，有助于调节负载电流在两相之间实现均流。在三相或四相操作中，节点器件使用差分（CSIO+、CSIO-）信号将其平均电流传送至主机控制器，这种准确的电流平衡特性使MAX15258对PoL设计人员极具吸引力。图5展示了四相交错反相降压-升压-48VIN至+48VOUT800W电源，其中CSIO+和CSIO-信号连接两个控制器，两个器件的SYNC引脚也相互连接，以确保协调相位交错方案的时钟同步。

图5.四相交错反相降压-升压-48VIN至+48VOUT800W，CSIO+和CSIO-信号连接控制器

MAX15258本质上是一个以相对较低频率运行的升压转换器，这能有效降低开关损耗，而开关损耗是这类转换器中最重要的功率损耗因素。该器件支持高达1MHz的开关频率，在多相操作中，各相并行运行且频率相同（但交错），总等效频率为N×Freq（N为相数），而损耗是每个转换器的频率损耗。交错实现方案可在一定程度上抵消输出电容的纹波电流，大大降低输入纹波电流，因此可以使用更小的输入电感。ADI获得专利的耦合电感（CL）技术有助于衰减输出纹波电流，从而可使用较便宜且纹波电流额定值较低的电容，这不仅提高了效率，还减小了总体PoLPCB尺寸。实际上，它能以很高的等效总频率提供大量输出功率，同时每个转换器在低损耗区域以低频率运行，凭借这一巧妙设计，MAX15258成为-48VDC转换的先进解决方案。

有源钳位正激拓扑在实现占空比方面存在限制，使得某些VIN和VOUT组合难以正常工作。随着电信OEM在同一平台上组合不同频段，支持不同PA输出电压范围的能力成为硬性要求，而有源钳位正激式转换器的输出功率有限。MAX15258满足IPC9592B引脚间隙或PCB导体间距要求，支持高达56V的峰值电压。IPC9592B标准提供了一个公式来计算30V至～100V工作电压下的PWB表面间隙，即：间隙(mm)=0.1+VPEAK×0.01（例如，在56V情况下，高压引脚与其他引脚之间的间隙为0.66mm）。

综上所述，有源钳位正激式转换器需要复杂的步骤来确保变压器不会饱和，而MAX15258会自动使电压反相，以极高的效率提供高输出功率，并具备出色（更高）的占空比能力。这些特性支持可扩展和可堆叠（最多四相）平台设计，提供灵活且稳定的占空比控制，以适应较宽的VIN和VOUT范围。图6显示了基于耦合电感的MAX15258800W参考设计在不同VIN和VOUT条件下的效率曲线，由于传导损耗较低，效率可达到98%或更高，表现十分出色，且这一切都是以较低的相对BOM成本实现的。

图6.MAX15258CL800W参考设计在不同VIN和VOUT条件下的效率曲线

通过I2C数字接口，用户可以从MAX15258读回大量遥测信息，包括VIN、VOUT、相电流和故障状态，此外，输出电压还能通过数字接口动态设置。图7a显示了MAX15258CL800W参考设计在-48VIN和+48VOUT(16AIOUT)条件下，以稳态负载电流工作时测得的伯德图，结果显示相位裕量为74.4°，增益裕量为-20.7dB。图7b显示了负载瞬态响应曲线，可以观察到开关边沿非常干净，过冲几乎为零，振铃为零。

图7.(a)以稳态负载电流工作时测得的伯德图；(b)负载瞬态响应：Ch3—VOUT(AC)，1V/div；Ch2—ILOAD，10A/div。

结论

随着网络的发展，网络运营商需要在更多地方更快地安装更多小型基站，这些产品中的PoL需要具备高效性，额定电源转换效率至少要达到98%。MAX15258高压反相降压-升压控制器设计具有高性价比、高效率且可扩展的优点，允许在同一PCB布局上轻松添加和删除相位，有助于电源转换器设计人员提高电源转换效率。ADI公司将继续凭借其在电源架构方面的丰富专业知识，应对相关难题和挑战，为5G市场开发更多的-48VDC高功率转换解决方案。