통신 전원 공급 장치에서 높은 효율성 달성

통신 부문은 현대 사회와 순간 글로벌 통신의 중요한 요소가 되었습니다. 통화, 텍스트 메시지, 웹 명령 등에서 통신 장비는 안정적인 명령을 보장합니다. 백그라운드에서 작동하는 전원 공급 장치는 거의 인식되지 않는 필수 부품입니다.

이 기사에서는 단상 또는 2상 부스트/인버팅 벅 부스트 구성에서 최대 2개의 MOSFET 구동기와 4개의 외부 MOSFET을 수용하도록 설계된 Analog Devices MAX15258을 중심으로 살펴봅니다. 3상 또는 4상 작동을 위해 두 장치를 결합하여 더 높은 출력 전력과 효율성 레벨을 실현할 수 있습니다.

증가하는 전력 수요 요구 사항 충족

통신 산업의 전력 수요는 기술 발전, 네트워크 트래픽 증가, 통신 인프라 확장으로 인해 시간이 지남에 따라 증가했습니다. 3세대(3G)에서 4세대(4G) 및 5세대(5G) 네트워크로 전환하면서 고급 고전력 장비로 이어졌습니다.

5G 기술의 배포는 기지국 및 셀 기지국의 전력 요구 사항에 큰 영향을 미쳤습니다. 기지국, 특히 도시 지역의 기지국은 다중 입력, 다중 출력(MIMO) 구성 및 빔형성에 필요한 안테나 및 무선 통신 장치 수 증가를 지원하기 위해 더 높은 전력 레벨이 필요합니다.

이중화는 다른 중요한 요소입니다. 정전이 발생하더라도 중단 없는 작동을 보장하려면 배터리, 발전기와 같은 백업 전원을 비롯한 이중화를 염두에 두고 전원 공급 장치를 설계해야 합니다.

이전 세대 무선 네트워크에 비해 5G 모바일 기술 배포에서는 전력 소자 요구 사항에 몇 가지 변화를 도입했습니다. 5G가 안정적이고 대기 시간이 짧은 고속 통신이라는 약속을 지키기 위해 몇 가지 기준을 충족해야 합니다.

전력 증폭기 요구 사항

• 신호 전파에 고유한 과제를 제공하는 광범위한 주파수 대역 스펙트럼(6GHz 미만 및 mmWave(밀리미터파) 주파수 포함)을 지원합니다.
• 폭넓은 신호 대역폭과 높은 전력 레벨을 수용하며 높은 데이터 전송률 신호의 왜곡을 방지하기 위해 선형적으로 증폭합니다.
• 특히, 배터리 구동 장치와 원격 소무선 구역에서 전력 소비와 열 발생을 최소화하기 위해 효율적으로 작동합니다.
• 소무선 구역, 사용자 장비와 같은 소형 인클로저에 적합할 수 있는 경량형 콤팩트 폼 팩터를 포함합니다.
• 향상된 출력 밀도, 성능 및 작동 주파수를 제공하기 위해 질화 갈륨(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)로 제작된 반도체 장치와 같은 첨단 재료와 기술을 통합합니다.

전력 변환 요구 사항

기록적, 실용적, 기술적 이유로 인해 통신 시스템에서는 일반적으로 -48V_DC 전원 공급 장치를 활용합니다. 그리드 오작동 또는 다른 비상 상황이 발생할 경우 통신 네트워크에 신뢰할 수 있는 백업 전원이 필요합니다. 일반적으로 예비 전력에 사용되는 납축 배터리는 -48V_DC에서도 작동할 수 있습니다. 주 전력과 백업 전력 모두에서 동일한 전압을 사용하여 백업 시스템을 쉽게 설계하고 유지보수할 수 있습니다. 또한 -48V_DC와 같은 낮은 전압은 통신 장비로 작업하는 직원에게 더 안전하여 감전 및 부상의 위험을 줄여줍니다.

통신 장비용 전원 공급 장치는 신뢰성과 효율성을 보장하기 위해 특정 작동 요구 사항을 충족해야 합니다. 다음은 몇 가지 중요한 사양입니다.

• 입력 전압 범위: 폭넓은 입력 전압 범위를 견디도록 전원 공급 장치를 설계해야 합니다.
• 전압 조정: 전원 공급 장치는 통신 장비의 요구 사항에 따라 안정적인 정격 출력 전압을 제공해야 합니다.
• 높은 효율성: 전원 공급 장치는 전력 손실 및 에너지 소비를 줄이기 위해 매우 효율적이어야 합니다. 90% 이상의 효율성이 일반적입니다.
• 이중화: 중단 없는 작동을 보장하기 위해 전원 공급 장치는 주로 추가 전원 공급 장치가 사용되는 이중화 기능(예: N+1)을 포함합니다. 전원 공급 장치 중 하나에 고장이 발생할 경우 다른 전원 공급 장치가 역할을 수행할 수 있습니다.
• 핫스왑 가능: 핵심 설치에서 전원 공급 장치는 핫스왑 가능하여 교체 또는 유지보수 중에 다운타임을 최소화해야 합니다.
• 높은 신뢰성: 전원 공급 장치는 과전류, 과전압, 단락과 같은 불리한 작동 조건으로 인해 발생하는 손상을 방지하기 위해 보호 메커니즘을 탑재해야 합니다.

활성 클램프 순방향 컨버터

활성 클램프 순방향 컨버터(ACFC)는 전원 공급 장치 시스템에 일반적인 DC/DC 컨버터 구성이며, 주로 -48V_DC를 양수 전압 레벨로 전환하는 데 사용됩니다. ACFC는 효율성 향상을 위해 활성 클램프 회로와 순방향 컨버터의 특성을 통합하는 전압 변환 회로입니다. 이 기술은 통신 및 데이터 센터 장치용 전원 공급 장치 시스템에서 널리 사용됩니다.

ACFC의 중심 요소는 변압기입니다(그림 1). 변압기의 주 권선은 입력 전압을 수신하여 2차 권선에서 전압을 유도합니다. 변압기의 출력 전압은 권선비에 따라 결정됩니다.

보완 반도체 스위치와 커패시터를 통합하는 활성 클램프 회로는 변압기의 누출 유도 용량에 포함되는 에너지를 조정하고 관리합니다. 1차 스위치가 꺼지면 누출 유도 용량에 저장된 에너지가 클램프 커패시터에 리디렉션되어 전압 스파이크를 방지합니다. 이 방법은 1차 스위치의 부담을 완화하고 운영 효율성을 향상시킵니다. 변압기 1차 권선의 전압은 다이오드에 의해 정류되고, 출력 전압은 출력 필터 커패시터에 의해 평활화됩니다. 마지막으로 ACFC는 소프트 스위칭 모드로 작동하여 스위칭 전환이 더 부드럽고 잡음이 감소됩니다. 따라서 전자파 장해(EMI)와 스위칭 손실이 감소됩니다.

그림 1: ACFC 토폴로지. (출처: Analog Devices)

ACFC 회로는 특히, 높은 입출력 전압비에서 부품의 전압 스파이크와 응력을 줄여서 효율성을 향상시킵니다. 또한 폭넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있으므로 다양한 입력 전압을 가진 통신 및 데이터 센터 응용 분야에 적합합니다.

활성 클램프 회로의 단점은 다음과 같습니다.

• 최대 값으로 제한하지 않으면 듀티 사이클이 증가하여 기본 스위치에서 변압기 포화 또는 추가 전압 응력이 발생하여 클램프 커패시터의 크기를 정밀하게 조정해야 할 수 있습니다.
• ACFC는 단상 DC-DC 컨버터입니다. 전력 레벨이 높아질수록 통신과 같은 전력 집약적인 응용 분야에 대한 다상 설계가 증가합니다.
• 활성 클램프 순방향 설계를 더 높은 출력 전력으로 확장할 수 없으며 비슷한 성능을 유지합니다.

ACFC의 제한 해결

Analog Devices의 MAX15258은 통신 및 산업 응용 분야에 맞게 설계된 I²C 디지털 인터페이스를 포함하는 고전압 다상 부스트 컨트롤러입니다. 이 장치는 폭넓은 입력 전압 범위(부스트 구성: 8V ~ 76V, 인버팅 벅/부스트 구성: -8V ~ -76V)를 지원합니다. 출력 전압 범위(3.3V ~ 60V)는 통신 장치를 포함한 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다.

이 다목적 IC의 일반적인 응용 분야는 5G 매크로 전지 또는 펨토 전지용 전원 공급 장치입니다(그림 2). 핫스왑 기능은 -48V_DC로 구동되는 ADI의 ADM1073과 같은 음전압 핫스왑 컨트롤러에 의해 보장됩니다. 동일한 전압으로 MAX15258 벅/부스트 컨버터에 최대 800W의 출력 전력을 공급할 수 있습니다.

그림 2: 5G 응용 분야의 전원 공급 장치 단계의 제품 구성도. (출처: Analog Devices)

MAX15258은 부스트/인버팅 벅 부스트 단상 또는 2상 구성에서 최대 2개의 MOSFET 구동기와 4개의 외부 MOSFET을 지원하도록 설계되었습니다. 또한 두 개의 장치를 결합하여 3상 또는 4상 작동을 지원할 수 있습니다. 인버팅 벅 부스트 컨버터로 구성된 경우 출력 전압 차동 감지를 위한 내부 고전압 FB 레벨 시프터가 있습니다. 전용 레퍼런스 입력 핀 또는 I²C 디지털 인터페이스를 통해 출력 전압을 동적으로 설정할 수 있습니다.

외부 저항기를 사용하여 내부 발진기를 조정하거나, 조정기를 외부 클록과 동기화하여 일정한 스위칭 주파수를 유지할 수 있습니다. 120kHz ~ 1MHz의 스위칭 주파수가 지원됩니다. 또한 컨트롤러가 과전류, 출력 과전압, 입력 부족전압, 과열 시 전원 차단으로부터 보호됩니다.

OVP 핀에 있는 저항기는 컨트롤러의 위상 수를 지정합니다. 이 식별은 컨트롤러가 기본 위상의 다상 클록 신호에 응답하는 방식을 결정하는 데 사용됩니다. 4상 컨버터에서 MAX15258 컨트롤러 또는 대상의 두 위상은 180°씩 인터리브되는 반면에, 컨트롤러와 대상 사이의 위상 변이는 90°입니다(그림 3).

그림 3: 4상 구성 - 컨트롤러 및 대상 파형 (출처: Analog Devices)

다상 작동에서 MAX15258은 활성 상 전류 밸런싱의 로우사이드 MOSFET 전류를 모니터링합니다. 피드백으로 전류 불균형이 주기별 전류 감지 회로망에 적용되어 부하 전류를 조정하는 데 도움을 줍니다. 그러면 두 위상 사이에서 공평한 분배가 보장됩니다. 순방향 컨버터 설계와 달리 설계자는 이 IC를 사용할 때 설계 계단 단계 중에 가능한 15% ~ 20% 위상 불균형을 고려할 필요가 없습니다.

3상 또는 4상 작동에서 컨트롤러와 대상 사이에서 전용 차동 연결을 통해 칩당 평균 전류가 전송됩니다. 모든 위상에서 부하 전류를 균등하게 공유하도록 전류 모드 컨트롤러 및 대상 장치는 해당 전류를 조정합니다.

그림 4에 표시된 4상 인터리브된 인버팅 벅 부스트 전원 공급 장치는 많은 전력이 필요한 응용 분야에 적합합니다. CSIO+ 및 CSIO– 신호는 두 컨트롤러를 연결하고 SYNC 핀은 연결되어 조정된 위상과 위상 인터리빙 체계의 클록 동기화를 보장합니다.

그림 4: 4상 인버팅 벅 부스트 -48V_IN ~ +48V_OUT 800W 전원 공급 장치 (출처: Analog Devices)

MAX15258은 저주파 부스트 컨버터입니다. 이 컨버터는 컨버터 주 전원의 전력 손실 및 스위칭 손실을 줄여줍니다. 각 컨버터는 저주파의 저손실 영역에서 작동하므로 높은 등가 총 주파수에서 높은 출력 전력을 제공합니다. 따라서 -48V_DC 변환용 장치로 많이 찾고 있습니다.

안정적인 듀티 사이클로 작동하여 매우 높은 효율성을 가진 높은 출력 전력을 얻을 수 있습니다. 그림 5는 다양한 V_IN 및 V_OUT 조합을 위한 결합된 인덕터 기반 MAX15258 800W 참조 설계의 효율성 곡선을 보여줍니다. 전도 손실의 감소로 인해 98% 이상의 효율성 수치가 명확하게 표시됩니다.

그림 5: MAX15258 CL 800W 참조 설계의 효율성 및 출력 부하 전류 비교 (출처: Analog Devices)

결론

전원 공급 장치는 통신 산업에서 중요한 역할을 합니다. 높은 효율성을 달성하고 전력 손실을 최소화할 수 있는 능력으로 인해 활성 클램프 순방향 컨버터(ACFC)는 통신 전원 공급 장치 설계에서 선호됩니다. 하지만 내재된 한계로 인해 특정 환경에서 효율성이 저하될 수 있습니다. 활성 클램프 순방향 컨버터의 한계를 극복하기 위해 향상된 효율성, 향상된 출력 밀도, 간소화된 제어 메커니즘을 제공하는 차세대 전원 공급 장치 기술이 등장했습니다. 통신 산업에서 이러한 최신 솔루션은 더 발전되고 최적화된 전원 공급 장치를 위한 길을 열었습니다.