La demanda de datos móviles crece a un ritmo vertiginoso a medida que surgen nuevos mercados y aplicaciones. No hay otra solución que desplegar emplazamientos de telefonía adicionales en mayor densidad. Estos factores afectarán directamente al diseño de los productos de macroceldas, celdas pequeñas y femtoceldas.

Las radios son ahora multibanda, y los ingenieros de diseño de amplificadores de potencia (PA) están llevando la potencia de salida de los PA a límites/niveles más altos. Este artículo se centra en los PA de 80 W con varios PA en el sistema. Se ha convertido en algo habitual ver plataformas de unidades de radio remotas (RRU) de 1400 W. Sin embargo, los operadores de redes quieren que estas RRU sean más eficientes en cuanto a potencia, más fiables y más compactas a medida que aumentan la densidad de cobertura. Los puntos de carga (PoL) tienen que funcionar con tensiones de entrada y rangos de temperatura de funcionamiento amplios y, lo que es más importante, deben ser rentables. Sin embargo, para aplicaciones que necesitan 500 W o más de potencia, el diseño magnético y las pérdidas de conducción en el circuito secundario de un diseño de convertidor directo ("forward") de pinza activa se han vuelto difíciles de gestionar debido a la necesidad de un esquema de control avanzado para mantener la temporización de retardo entre la pinza activa y el accionamiento de la puerta del interruptor principal. Este artículo presenta una solución PoL -48 VDC escalable y apilable que abordará las situaciones de uso de energía de alta densidad creadas por estas redes de alta densidad a partir del tremendo crecimiento del tráfico de red.
Introducción
Los sistemas de redes inalámbricas y de telecomunicaciones suelen funcionar con alimentación de -48 V_CC. Como la alimentación de CC es más sencilla, ha sido posible construir sistemas backup de energía utilizando baterías sin necesidad de inversores. La corriente continua puede almacenarse en baterías y éstas pueden seguir funcionando durante un periodo de tiempo después de que se interrumpa el suministro eléctrico. Sin embargo, la tensión de -48 VCC debe convertirse primero a una tensión de bus intermedia positiva antes de que se pueda aumentar para alimentar el PA o reducirse a un suministro positivo viable para las unidades de banda base digitales (BBU). Una fuente de alimentación con una capacidad de 100 W a 350 W era suficiente para cubrir muchas aplicaciones. Los convertidores Forward eran una buena elección y llevan años empleándose en BBU y RRU de telecomunicaciones. Con la creciente demanda de datos móviles, siguen apareciendo nuevos mercados y aplicaciones. En la actualidad, el convertidor forward se enfrenta a serios retos, especialmente cuando los requisitos de potencia de salida para estos nuevos diseños de radio superan los 500 W. En este artículo, presentamos un controlador buck-boost inversor multifásico de alta tensión apilable e intercalable que resolverá todos los requisitos/retos para satisfacer los requisitos actuales de los equipos de telecomunicaciones 5G. Pero primero, ¿de dónde viene -48 V_CC y por qué el potencial negativo?

Sistema típico de alimentación de CC para telecomunicaciones
Las redes de telecomunicaciones e inalámbricas suelen funcionar con -48 V_CC, pero ¿por qué? La historia resumida es que -48 V_DC, también conocido como un sistema de tierra positiva, fue seleccionado porque proporciona suficiente potencia para soportar una señal de telecomunicaciones, pero es más seguro para el cuerpo humano mientras se realizan actividades de telecomunicaciones. Actualmente, las normas de seguridad y el código eléctrico aceptan que todo lo que funcione a 50 V_CC o menos es un circuito de baja tensión seguro. Otra razón es que -48 V_CC permite a los operadores de telecomunicaciones utilizar fácilmente baterías de plomo-ácido de 12 V conectadas en serie para actuar como fuente de alimentación de reserva en caso de fallo de la red eléctrica. La tensión negativa de 48 V_CC sigue siendo la norma en las instalaciones de comunicaciones que prestan servicios cableados e inalámbricos, ya que se considera que causa menos corrosión (o al menos inhibe la corrosión galvánica) en el metal que las tensiones positivas. La Figura 1 presenta un diagrama simplificado de un sistema típico de alimentación de CC para telecomunicaciones, haciendo hincapié en cómo se crea y distribuye -48 V_CC. El sistema de alimentación de CC de telecomunicaciones suele incluir la red eléctrica nacional, un generador diésel, un switch de transferencia automática (ATS) de CA de acción automática, un sistema de distribución de energía, paneles o placas solares, controladores y cargadores, rectificadores, baterías de reserva dispuestas en serie y los cables y disyuntores correspondientes.

Figura 1. Esquema simplificado de un sistema eléctrico de CC típico de telecomunicaciones.

Cuando se pierde la alimentación de la red, el generador diésel está diseñado para arrancar automáticamente proporcionando alimentación de CA al sistema de puerto de CC. El ATS sincroniza los voltajes de las distintas fuentes con los equipos. Dado que la mayoría de los equipos de telecomunicaciones del emplazamiento requieren un suministro de tensión de CC, la alimentación de CA procedente de la red eléctrica o del generador diésel es convertida a -48 V_CC por los rectificadores. Estos rectificadores redundantes se utilizan para convertir la corriente alterna en corriente continua de -48 V, que se utiliza para cargar las baterías y alimentar las cargas críticas. Las baterías, que son flotantes, proporcionan la alimentación de -48 V_CC a los equipos de telecomunicaciones u otras cargas si los rectificadores no lo hacen. La BTS o RRH no nota la diferencia en la fuente de alimentación real, y todo sigue funcionando con normalidad. Cuando vuelve la corriente, los rectificadores vuelven a tomar el control. En esencia, toda la central funciona como un gran sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).

Las limitaciones del convertidor Forward
Ahora que entendemos de dónde viene -48 V_DC, vamos a discutir una de las topologías PoL más utilizadas de la industria para convertir -48 V_DC a tensiones positivas. Muchos diseñadores de PoL de telecomunicaciones utilizan un convertidor forward de pinza activa para implementar su diseño buck-boost invertido. Otras versiones de circuito que también se utilizan son los convertidores push-pull, half-brige o full-bridge. Las ventajas son que la mayor parte de la energía de fuga del transformador se recupera a través de su método de recuperación casi sin pérdidas. Es importante que el diseñador del PoL comprenda primero la temporización básica nativa del restablecimiento de la pinza activa. De hecho, un dimensionamiento incorrecto del condensador de la pinza puede provocar un aumento del ciclo de trabajo del PoL, lo que puede provocar la saturación del transformador y causar un efecto de fiabilidad a largo plazo en el interruptor principal. La figura 2 muestra el diseño de un circuito convertidor forward convencional de pinza activa con rearme del transformador por el lado bajo (low side). El mecanismo de restablecimiento del transformador incluye el CCLAMP y Q1.

Figura 2. Diseño de un convertidor forward convencional con restablecimiento por transformador de lado bajo (low side) Un diseño convencional de convertidor forward con pinza activa de rearme por transformador de lado bajo.

Algunas de las desventajas asociadas con la pinza activa incluyen la necesidad de dimensionar con precisión el condensador de la pinza. Un valor de condensador grande produce menos ondulación de tensión, pero introduce una limitación de respuesta transitoria. La topología de avance de la pinza activa requiere el uso de una técnica de control avanzada para sincronizar el retardo entre la pinza activa y el accionamiento de la puerta del interruptor principal. Otra desventaja asociada a la pinza activa es que, si no se sujeta a un valor máximo, un ciclo de trabajo mayor puede provocar la saturación del transformador o una tensión mayor en el interruptor principal, lo que puede ser catastrófico. Y, por último, el convertidor forward de pinza activa es un convertidor CC-CC de una sola etapa. A medida que aumenta el nivel de potencia -por ejemplo, los equipos de 800 W en sistemas 5G se están convirtiendo en la norma-, un diseño multifásico mostrará más ventajas para estas aplicaciones de gran consumo. Un convertidor monofásico se pierde todas las ventajas que conlleva el uso de un funcionamiento multifásico intercalado. Además, un diseño de pinza activa forward no puede escalarse a una potencia de salida más alta con resultados similares a los de un diseño con una potencia de salida más baja. En la siguiente sección se presenta el convertidor buck-boost invertido MAX15258. La figura 3 muestra un diagrama de bloques de alto nivel típico de la fuente de alimentación de una placa 5G macro o Femto RRU. Casi siempre se coloca un controlador de intercambio en caliente (hot swap) delante del convertidor de -48 V_CC. Ejemplos de gestores de alimentación de intercambio en caliente de -48 V_DC con todas las funciones son el ADM1073 y el LTC4284, que se adaptan perfectamente a estas aplicaciones.

Figura 3. Fuente de alimentación Diagrama de bloques de una fuente de alimentación para una macroestación base 5G.

Circuitos integrados destacados
El MAX15258 es un controlador boost multifásico de alta tensión con interfaz digital I2C diseñado para admitir hasta dos controladores MOSFET y cuatro MOSFET externos en configuraciones boost/inverting-buck-boost monofásicas o bifásicas. Se pueden apilar dos controladores para una configuración trifásica o tetrafásica. El dispositivo controla las fases con el desplazamiento de fase adecuado para obtener la máxima cancelación del rizado (ripple). Cuando se configura como un convertidor buck-boost inversor, el MAX15258 tiene un conmutador de nivel de retroalimentación de alta tensión interno para detectar diferencialmente la tensión de salida. La figura 4 muestra el diagrama de bloques simplificado de un convertidor bifásico buck-boost inversor intercalado.

Figura 4. Diagrama de bloques simplificado de un buck-boost invertido bifásico intercalado.

Con este circuito integrado, los diseñadores no tienen que tener en cuenta un posible desequilibrio de fase (del 15% al 20%) durante los pasos de cálculo del diseño, como deberían hacer con los diseños de convertidores forward. El controlador se basa en una arquitectura de modo de corriente de pico de frecuencia fija, que proporciona una respuesta transitoria rápida, para regular la salida. En la hoja de datos del dispositivo se muestra un diagrama de bloques detallado del bucle de control. El dispositivo supervisa la corriente del MOSFET low side de cada fase, a través de RSENSE, y utiliza una señal diferencial de detección de corriente para garantizar un comportamiento adecuado del equilibrio de corriente de la fase activa cuando se apilan dos circuitos integrados MAX15258 en una configuración de nodo anfitrión (host). El desequilibrio de corriente se aplica al circuito de detección de corriente ciclo a ciclo como retroalimentación, ayudando a regular de modo que la corriente de carga se reparta uniformemente entre las dos fases. En funcionamiento trifásico o tetrafásico, el dispositivo de nodo utiliza las señales diferenciales (CSIO+, CSIO-) para comunicar su corriente media al controlador host. Esta precisa función de equilibrado de corriente es la que ha hecho que el MAX15258 resulte muy atractivo para los diseñadores de PoL. La figura 5 muestra el buck-boost invertido intercalado de 4 fases de -48 V_IN a +48 V_OUT de 800 W con las señales CSIO+ y CSIO- conectando los dos controladores. Obsérvese que las patillas SYNC de los dos dispositivos también están conectadas para garantizar la sincronización del reloj para el esquema de intercalado de fases coordinado.

Figura 5. Buck-boost invertido intercalado de 4 fases -48 VIN a +48 VOUT 800 W con las señales CSIO+ y CSIO- conectando los controladores.

De nuevo, el MAX15258 es fundamentalmente un convertidor boost que funciona a una frecuencia relativamente baja. Esto reduce naturalmente las pérdidas por conmutación, que son las que más contribuyen a la pérdida de potencia en estos convertidores. El dispositivo está diseñado para soportar frecuencias de conmutación de hasta 1 MHz. En las operaciones multifásicas, las fases funcionan en paralelo y todas a la misma frecuencia (pero intercaladas). La frecuencia equivalente total es N × Freq, donde N es el número de fases, pero las pérdidas son las de frecuencia de cada convertidor. La implementación intercalada da como resultado una cierta cancelación de la corriente de rizado vista por el condensador de salida. La corriente de rizado de entrada se reduce considerablemente, por lo que pueden utilizarse inductores de entrada más pequeños. El uso de la tecnología de inductores acoplados (CL) patentada por ADI también ayuda a atenuar la corriente de rizado de salida, permitiendo el uso de condensadores más baratos con menores valores de corriente de rizado. Esto conduce a un aumento de la eficiencia al tiempo que reduce la huella total PoL PCB. Esencialmente, esto proporciona mucha potencia de salida con una frecuencia total equivalente alta, pero con cada convertidor funcionando en una región de bajas pérdidas a baja frecuencia. Este es el truco que convierte al MAX15258 en una solución puntera para la conversión a -48 V_CC.
La topología forward de pinza activa limita la capacidad de conseguir ciclos de trabajo, lo que dificulta el funcionamiento de determinadas combinaciones de V_IN y V_OUT. Con los fabricantes de equipos originales de telecomunicaciones combinando diferentes bandas de frecuencia en las mismas plataformas, la capacidad de admitir diferentes rangos de tensión de salida PA se ha convertido en un requisito difícil. La potencia de salida de un convertidor forward de pinza activa está limitada. El MAX15258 cumple el requisito IPC9592B de espacio libre entre patillas o espacio entre conductores de PCB para tensiones de pico de hasta 56 V. La norma IPC9592B proporciona una fórmula para calcular el espacio libre en la superficie del PWB para tensiones operativas desde 30 V a ~100 V, que es: La distancia al aislamiento (Clearance) (mm) = 0,1 + V_PEAK × 0,01 (por ejemplo, el caso de 56 V se traduce en una distancia al aislamiento de 0,66 mm entre los pines de alta tensión y los demás pines).
En el análisis final, el convertidor forward de pinza activa requiere demasiados pasos complicados para garantizar que el transformador no se sature. Sin embargo, el MAX15258 invierte automáticamente la tensión consiguiendo una potencia de salida muy alta con un rendimiento muy elevado y una capacidad de ciclo de trabajo (superior) excepcional. Estas características permiten un diseño de plataforma escalable y apilable (hasta cuatro fases), proporcionando un control del ciclo de trabajo flexible y estable para adaptarse a amplios rangos de V_IN y V_OUT. La Figura 6 muestra las curvas de eficiencia de un diseño de referencia MAX15258 de 800 W basado en un inductor acoplado a diferentes selecciones de V_IN y V_OUT. Los gráficos muestran claramente las mejores cifras de eficiencia de su clase en el rango del 98% o superior debido a las menores pérdidas de conducción. Y todo ello con un coste comparativo inferior.

Figura 6. Curvas de eficiencia del MAX1525 Curvas de eficiencia del diseño de referencia MAX15258 CL 800 W a distintas V_IN y V_OUT.

A través de la interfaz digital I2C, el usuario puede leer del MAX15258 una gran cantidad de información telemétrica, como V_IN, V_OUT, corrientes de fase y estado de fallo. Además, la tensión de salida puede ajustarse dinámicamente a través de la interfaz digital. La Figura 7a presenta el diagrama de Bode medido en funcionamiento con corriente de carga en estado estacionario del diseño de referencia MAX15258 CL 800 W a -48 V_IN y +48 V_OUT (16 A I_OUT). El resultado es un margen de fase de 74,4° y un margen de ganancia de -20,7 dB. La Figura 7b muestra los gráficos de respuesta transitoria de carga. Como se puede observar, los bordes conmutados son muy limpios con prácticamente cero sobreimpulso (overshoot) y cero zumbido (ringing).

Figura 7. (a) Diagrama de Bode medido en funcionamiento con corriente de carga en estado estacionario; (b) respuesta transitoria de carga: Ch3-V_OUT (AC), 1 V/div; Ch2-ILOAD, 10 A/div.

Conclusión
Los operadores de redes van a tener que instalar más celdas pequeñas en más lugares y más rápido que nunca. Y, por supuesto, los PoL de estos productos tienen que ser muy eficientes, con una eficiencia de conversión de potencia de al menos el 98%. El diseño del controlador buck-boost inversor de alto voltaje MAX15258 es rentable, eficiente y escalable, lo que permite añadir y eliminar fases fácilmente en el mismo diseño de PCB. Estas ventajas permiten a los diseñadores de convertidores de potencia ampliar la eficiencia de conversión de potencia. ADI continuará respondiendo a estos y otros retos similares mediante el desarrollo de más soluciones de conversión de alta potencia de -48 V_CC diseñadas para el mercado 5G, aprovechando al mismo tiempo su considerable experiencia en arquitecturas de fuentes de alimentación.

Sobre el autor
Hamed M. Sanogo es especialista de mercado final para nube y comunicaciones en el Grupo de Aplicaciones Globales de Analog Devices. Hamed se graduó con un M.S.E.E. en la Universidad de Michigan-Dearborn y posteriormente obtuvo un M.B.A. en la Universidad de Dallas. Tras su graduación, Hamed trabajó como ingeniero de diseño senior en General Motors y como ingeniero eléctrico senior y diseñador de tarjetas de banda base Node B y RRH en Motorola Solutions antes de incorporarse a ADI. Hamed ha pasado los últimos 17 años desempeñando diferentes funciones, como gerente de FAE/FAE, gerente de línea de productos y, en la actualidad, especialista de mercado final para comunicaciones y nube.