如何利用數字電源優(yōu)化基站系統

　　基站電源工程師面臨著(zhù)眾多的設計挑戰，無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商希望他們降低功耗并減小系統體積，子系統供電還要求一定的排序、監測、裕量調節等復雜任務(wù)。為最大程度地滿(mǎn)足上述應用需求，設計人員必須采取各種折衷方法，達到包括電源轉換效率與尺寸、性能復雜度與成本之間的平衡。本文介紹了一款新型、高度集成的電源方案，在提供系統設計靈活性的同時(shí)有效優(yōu)化系統性能，幫助設計人員克服所面臨的挑戰。

　　提高效率

　　基站工作的能源成本對于無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商意義重大，需要采用更高效率的電源方案來(lái)降低運營(yíng)費用。此外，功耗的降低還有助于散熱設計，運營(yíng)商在無(wú)線(xiàn)單元中可以采用更小的散熱器。而散熱器越小，單元電路的尺寸就越小。最后，由于無(wú)線(xiàn)單元通常安裝在電線(xiàn)桿上或建筑物的一側，減小總體尺寸就能夠將機械應力降至最小。

　　基站的基帶單元通常提供快速信號處理能力，以處理網(wǎng)絡(luò )的大量數據和語(yǔ)音流量?；鶐卧蟠箅娏?、多路電壓供電，總電源電流可能超過(guò)60A，這就需要多相電源解決方案，并要求具有遠端控制功能。提高電源轉換效率的技術(shù)包括降低傳導損耗、開(kāi)關(guān)損耗和反向恢復損耗?？赏ㄟ^(guò)選擇低導通電阻（RON）的MOSFET 降低傳導損耗；較高的柵極驅動(dòng)也有助于降低導通電阻（RRDSON），但較高的開(kāi)關(guān)電壓會(huì )在某種程度上增大開(kāi)關(guān)損耗。盡管如此，最好選擇可設置的柵極驅動(dòng)功能。負載電流較大時(shí)，較高的柵極驅動(dòng)電壓會(huì )降低傳導損耗；輕載條件下，則可降低柵極驅動(dòng)電壓。自動(dòng)選擇能夠優(yōu)化傳導損耗與開(kāi)關(guān)損耗之間的平衡，有利于基站電源設計。

　　MAX15301數字負載點(diǎn)（PoL）控制器采用先進(jìn)的算法，在整個(gè)工作范圍內實(shí)現最高水平的轉換效率和瞬態(tài)響應。器件為外部MOSFET提供先進(jìn)的高效率、自適應柵極驅動(dòng)。器件通過(guò)連續自適應調節負載、電壓和電流，優(yōu)化電源效率。

　　簡(jiǎn)化電源復雜度、提高系統可靠性

　　如果能夠監測系統參數，則可更好地管理系統性能，進(jìn)而提高系統可靠性。如上所述，基帶單元必須具備強大的信號處理能力，以處理大量數據和語(yǔ)音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開(kāi)啟/關(guān)閉。需要對基帶工作過(guò)程中的電流、溫度進(jìn)行監測，以確保系統工作在容限范圍內，并在必要時(shí)提供報警或故障指示信號。另外，遠端控制功能和先進(jìn)的故障管理功能能夠確?；緦?shí)現更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個(gè)器件和電源管理的支持。而數字方案則可降低設計復雜度，只需獨立的電源管理芯片（如圖1所示）。

　　基站電源往往要求非常復雜的電源管理控制器，每項功能需要多個(gè)分立元件配合。設計方案的總電路板面積和復雜度也相應增長(cháng)。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設計方案必須在較寬的工作溫度范圍內保持可靠。對于傳統的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設置補償，而又必須解決寬工作范圍問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)源器件（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補償的復雜度。

　　數字系統可作為替代方案，數字架構中能夠實(shí)現自動(dòng)補償，并有利于優(yōu)化帶寬。更大頻寬的負載瞬態(tài)響應有助于改善系統容限或省掉輸出電容，從而縮小系統尺寸。此外，由于無(wú)源器件參數隨著(zhù)溫度的變化而發(fā)生變化，自動(dòng)補償功能能夠自適應調整，適應條件的變化，從而在整個(gè)溫度范圍內實(shí)現最優(yōu)設計。

　　圖1， 模擬（左圖）和數字（右圖）方案的系統設計。

　　數字方案集成了電源管理，用于每路DC-DC轉換器，構成靈活且便于裁減的系統。數字遠端控制連續監測系統補償，確保最優(yōu)的基站性能。Maxim InTune產(chǎn)品，例如MAX15301，解決了電源管理的設計難題。這些產(chǎn)品很容易實(shí)現高性能、DC-DC電源設計，濾波電容尺寸更小，具備更高的工作效率。該數字電源技術(shù)基于“狀態(tài)空間”或“模型預測”控制，而非比例-積分-微分（PID）控制，大多數數字控制器都采用后者。MAX15301中的自動(dòng)補償過(guò)程基于實(shí)測參數，有利于構建電源的內部數學(xué)模型，包括外部元件，最終使得開(kāi)關(guān)電源具有更高的動(dòng)態(tài)性能，保證穩定工作。該設計采用多種專(zhuān)利算法，在較寬的工作范圍內優(yōu)化效率。

　　減小電路板面積

　　由于天線(xiàn)可能安裝在建筑物、發(fā)射塔或電線(xiàn)桿上，系統重量成為主要考慮的問(wèn)題，迫切需要減小無(wú)線(xiàn)單元的電路板面積，特別是基帶單元，功能強大的數字處理器占用非常大的電路板面積。集成MOSFET具有更小封裝，可用于負載點(diǎn)電源。這種方案對于低功率應用切實(shí)可行，但不適合大電流設計?；诳刂破鞯姆桨冈试S針對特定的工作條件對MOSFET器件進(jìn)行優(yōu)化選擇，因而具有更大靈活性，這種方案也有利于電路板散熱，便于熱管理。當然，外部MOSFET會(huì )增大電路板面積。

　　由于基帶單元的供電電流會(huì )高達 60A/電源，要求多相轉換方案。對于這些大電流電源，需要增加無(wú)源器件的數量（本例中為電容），以滿(mǎn)足瞬態(tài)要求。MAX15301可配置用于單機或多相工作。MAX15301數字控制器采用專(zhuān)有的自動(dòng)調節技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了設計。設計中無(wú)需工程師進(jìn)行電源補償，可確保最佳補償。集成遠端控制功能也降低了對外部IC的要求，能夠支持更高密度的設計。

　　總結

　　基站電源設計需要仔細權衡體積、效率和性能之間的關(guān)系。Maxim基于數字遠端控制的新一代電源方案具有簡(jiǎn)單、靈活、調整方便等優(yōu)勢。采用MAX15301設計的電源系統能夠提供更高的集成度和靈活性。通過(guò)連續補償監測，優(yōu)化總體性能。此外，數字遠端控制功能使得設計平衡與折衷更簡(jiǎn)單、直接。