1000W電信電源：5G邊緣計算與小型基站的高效解決方案

前言

在5G技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，邊緣計算和小型基站的應用越來越廣泛。這些應用對電源的要求也越來越高，需要高效、緊湊、可靠的電源解決方案。英飛凌的REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板正是為滿足這些需求而設(shè)計的，它采用了CoolGaN? 600 V和CoolMOS? 600 V CDF7等先進技術(shù)，為5G邊緣計算和小型基站提供了一款出色的1000W電信電源解決方案。

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1. 邊緣計算與電源需求

1.1 邊緣計算概述

邊緣計算是一種分布式開放平臺，它將計算、存儲和應用等網(wǎng)絡核心能力集成在一起，在靠近設(shè)備、終端或數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡邊緣提供智能服務。與傳統(tǒng)的云計算不同，邊緣計算直接在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的設(shè)備或其附近對數(shù)據(jù)進行分析，無需每次都將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)處理中心，從而實現(xiàn)了“實時”數(shù)據(jù)處理和更快的響應速度，非常適合支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）架構(gòu)。

典型的邊緣計算架構(gòu)包括終端、邊緣計算節(jié)點、網(wǎng)絡節(jié)點和云計算節(jié)點。終端層由各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成，負責收集和報告原始數(shù)據(jù)；邊緣計算節(jié)點在網(wǎng)絡邊緣部署和分配計算與存儲能力，以響應基本服務；網(wǎng)絡節(jié)點將邊緣計算節(jié)點獲得的有用數(shù)據(jù)上傳到云計算節(jié)點進行分析和處理；云計算節(jié)點則永久存儲邊緣計算層報告的數(shù)據(jù)。

1.2 邊緣計算對電源的要求

邊緣計算通常通過高度可擴展和緊湊的微型數(shù)據(jù)中心來部署，其功率需求從“鞋盒式”的≤1kW到集裝箱式的高達500kW不等。在最近的信號塔安裝中，邊緣系統(tǒng)通常包括一個IP65防護等級的外殼，可以安裝在電信無線接入網(wǎng)（RAN）塔、建筑物或照明基礎(chǔ)設(shè)施上，類似于最新一代的5G戶外小型基站。

由于邊緣計算設(shè)備的廣泛部署，無論是在偏遠地區(qū)還是人口密集地區(qū)，對電源的要求都非常嚴格。首先，電源需要具有緊湊和輕薄的外形，以適應有限的空間。其次，效率必須高，因為無處不在的微型數(shù)據(jù)中心安裝意味著無論是在偏遠地區(qū)還是人口密集地區(qū)，電能成本都不低。此外，由于廣泛的安裝，微型數(shù)據(jù)中心的維護成本是運營商公司運營費用的重要組成部分。因此，大量使用對流冷卻可以減少維護需求（無需更換風扇和過濾器）。一般來說，即使在IP65防護等級的外殼內(nèi)，戶外操作也對電源的環(huán)境條件有一定要求，電源需要在較寬的交流輸入電壓范圍（通常為85 - 305V AC）和環(huán)境溫度范圍（-40°C / +85°C）下運行。因此，散熱和熱管理是開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵方面。綜上所述，戶外邊緣服務器的電源必須滿足電信整流器的大多數(shù)典型要求，如符合Telcordia GR - 3108和GR - 487等標準。

2. REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板介紹

2.1 設(shè)計概述

REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板是英飛凌為滿足5G邊緣計算和小型基站的電源需求而設(shè)計的一款完整系統(tǒng)解決方案。該電源供應單元（PSU）由兩個轉(zhuǎn)換器組成：一個交錯式圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）轉(zhuǎn)換器和一個DC - DC隔離半橋（HB）LLC轉(zhuǎn)換器。前端轉(zhuǎn)換器采用交錯式圖騰柱拓撲，提供功率因數(shù)校正（PFC）和總諧波失真（THD）控制，以實現(xiàn)高效率；后端轉(zhuǎn)換器是一個DC - DC隔離半橋LLC轉(zhuǎn)換器，提供安全隔離和穩(wěn)定的12V DC輸出電壓。

2.2 主要特點

• 緊湊設(shè)計：整體尺寸為150 mm x 80 mm x 27 mm，功率密度達到50 W/in3，非常適合空間受限的應用場景。
• 高效率：在230 V AC輸入時，從額定負載的45%以上效率達到96%以上；在115 V AC輸入時，從額定負載的35%以上效率達到95%以上，最高峰值效率分別為96.32%（230 V AC）和95.5%（115 V AC）。
• 無風扇設(shè)計：可以選擇將參考板安裝在散熱器上，通過對流冷卻，減少了維護需求。
• 全數(shù)字控制：采用英飛凌的XMC? MCU實現(xiàn)全數(shù)字控制，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
• 高可靠性：在不同的異常條件下，如負載突變和啟動時的浪涌電流，都能保持穩(wěn)定可靠的運行。此外，使用CoolMOS? S7 MOSFET替代繼電器，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。

2.3 主要組件

REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板使用了多種英飛凌的組件，包括：

• CoolGaN? 600 V：在PFC高頻功率晶體管中使用了IGT60R070D1，具有低導通電阻和快速開關(guān)速度的特點。
• CoolMOS? 600 V：在PFC線路整流MOSFET中使用了IPT60R022S7，在DC - DC初級側(cè)半橋中使用了IPT60R055CFD7，這些MOSFET具有低導通損耗和高耐壓能力。
• OptiMOS? 6 40 V：在DC - DC次級側(cè)橋中使用了BSC009N04LSSC，具有低導通電阻和良好的開關(guān)性能。
• EiceDRIVER? 系列：包括1EDF5673K、1EDN8550B、1EDB8275F、1EDN8511B、2EDS8265H和1EDN7511B等門驅(qū)動器，用于驅(qū)動不同的功率器件。
• XMC? MCU：XMC4200用于PFC控制實現(xiàn)，XMC4402用于DC - DC控制實現(xiàn)。
• ICE2QR2280G：用于偏置電源實現(xiàn)的開關(guān)控制器。

3. 系統(tǒng)描述

3.1 電路結(jié)構(gòu)

REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板的電源供應單元由前端的AC - DC無橋交錯式圖騰柱轉(zhuǎn)換器和后端的DC - DC隔離LLC轉(zhuǎn)換器組成。前端轉(zhuǎn)換器提供功率因數(shù)校正和總諧波失真控制，后端轉(zhuǎn)換器提供安全隔離和穩(wěn)定的12V DC輸出電壓。

交錯式圖騰柱AC - DC轉(zhuǎn)換器的控制由基于英飛凌XMC4200 MCU的專用控制卡PCB實現(xiàn)，該控制卡包括PFC、THD、電壓調(diào)節(jié)、輸入過流保護（OCP）、過壓保護（OVP）、欠壓保護（UVP）和啟動控制等功能。為了提高功率密度，標準的浪涌電流繼電器被CoolMOS? S7 MOSFET取代，該MOSFET放置在直流母線電容PCB上。PFC在連續(xù)導通模式（CCM）下運行，開關(guān)頻率為65 kHz，大容量電容的設(shè)計滿足了滿載時10 ms的保持時間要求。

LLC轉(zhuǎn)換器的控制由基于英飛凌XMC4400 MCU的另一個專用控制卡PCB實現(xiàn)，該控制卡包括帶擴展消隱時間的開環(huán)/過載保護、兩級OCP（頻率偏移和鎖存關(guān)閉）、帶可調(diào)滯后的市電輸入UVP、高精度的可調(diào)最小開關(guān)頻率、內(nèi)置數(shù)字和非線性軟啟動以及突發(fā)模式操作等功能。

3.2 器件布局

參考板的布局經(jīng)過精心設(shè)計，以優(yōu)化性能和散熱。AC連接器位于最左側(cè)，旁邊是單級EMI濾波器。濾波器上方，兩個PFC扼流圈戰(zhàn)略性地放置在PCB切口處，以便通過熱界面材料與金屬基板進行熱連接。LLC主變壓器也采用了類似的放置和熱管理技術(shù)，位于PSU板的中右側(cè)。

在板的中間，安裝了一個子卡，包含大容量電容器、NTC和靜態(tài)開關(guān)。這種緊湊的布置旨在優(yōu)化空間利用，提高PSU的整體效率。最后，PSU兩級的主開關(guān)和所有驅(qū)動器都位于主PCB的頂層。此外，偏置電源電路和兩個控制器都在一個子卡中實現(xiàn)，確保所有關(guān)鍵組件都經(jīng)過精心布局，以實現(xiàn)最佳性能并減少熱問題。

3.3 信號調(diào)理

在交錯式PFC中，采用了CCM平均電流模式控制和占空比前饋（DFF）。與傳統(tǒng)的PFC不同，在無橋圖騰柱PFC轉(zhuǎn)換器中，電感電流有正有負。此外，如果控制地位于大容量電壓的負軌上，測量電感電流時需要隔離或共模抑制。因此，霍爾效應傳感器是這種系統(tǒng)的一個很好的解決方案。

霍爾效應傳感器的輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入非常匹配，當使用相同的電壓供電時，可以測量正負電流，并且零電流時偏移到ADC范圍的一半。如果選擇具有適當帶寬的傳感器，還可以檢測高頻紋波，并且該信號可用于峰值電流限制。在帶寬較低的情況下，霍爾效應傳感器通常提供過流檢測信號，可用于相同目的。

由于控制參考位置的原因，大容量電壓檢測非常簡單，只需使用電阻分壓器即可。在交流電壓檢測方面，為了避免在交流過零期間沒有電流流入PFC時出現(xiàn)問題，同時檢測兩條線相對于地的電壓，然后將它們相加。由于總交流檢測信號是整流的，比較兩條線和中性線的檢測電壓可以得到極性信號。

3.4 效率分析

3.4.1 交錯式圖騰柱PFC效率

交錯式PFC轉(zhuǎn)換器在115 V和230 V AC RMS輸入下運行，開關(guān)頻率為65 kHz。圖8顯示了PFC的估計設(shè)計效率（藍色曲線）和實際測量效率（紅色曲線）在230 V AC輸入時的比較。數(shù)據(jù)表明，在滿載條件下兩者非常接近，但在輕載和中載條件下存在一些差異。盡管存在這些差異，估計結(jié)果仍然為PFC在整個負載范圍內(nèi)的行為提供了有價值的見解。需要注意的是，PFC單元在接近1000 W的輸出功率時表現(xiàn)出高達99%的高峰值效率。

圖9展示了PFC在不同工作點下各種器件的損耗分布。條形圖顯示，大部分損耗集中在主PFC電感上。

3.4.2 LLC轉(zhuǎn)換器效率

LLC轉(zhuǎn)換器在400 V輸入和12 V輸出下，開關(guān)頻率范圍為90 kHz至135 kHz。諧振槽的值為132 nF的諧振電容和15 μH的諧振電感，等效諧振頻率為113 kHz。

圖20顯示了LLC的估計效率（橙色曲線）和實際測量效率（黃色曲線）的比較。數(shù)據(jù)表明，在中載時兩者非常接近，但在輕載和滿載條件下存在一些差異。盡管存在這些差異，該工具仍然為LLC轉(zhuǎn)換器在整個負載范圍內(nèi)的行為提供了全面的理解。值得一提的是，LLC轉(zhuǎn)換器在額定負載的50%條件下表現(xiàn)出接近97.3%的高峰值效率。

3.5 磁元件設(shè)計

3.5.1 PFC磁元件

在雙升壓AC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中，主要的損耗來源之一是主電感和EMI濾波器。PFC扼流圈的設(shè)計基于環(huán)形高性能磁粉芯，環(huán)形扼流圈具有較大的表面積，能夠在芯損耗和繞組損耗之間取得良好的平衡，實現(xiàn)均勻的熱分布，沒有熱點。因此，它們適用于追求最高功率密度的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)非常小的扼流圈尺寸。選擇的芯材料CH270060GTE18是Chang Sung Corporation（CSC）的高磁通材料，具有出色的直流偏置和良好的芯損耗特性。芯的外徑為27 mm，高度為19 mm。繞組采用漆包AWG 18（直徑1.1 mm）銅線，大約覆蓋兩層。這種布置可以實現(xiàn)良好的銅填充系數(shù)，同時具有良好的交流特性，是高功率環(huán)形電感的首選填充形式。共有90匝，利用了允許的高直流偏置。最終的小信號偏置電感為1 mH，有效電感隨電流偏置由芯材料的B - H特性決定。

3.5.2 LLC磁元件

LLC串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的諧振槽由兩個等效電感和一個等效電容組成。這種拓撲的一個優(yōu)點是可以通過主變壓器的泄漏實現(xiàn)串聯(lián)諧振電感（Lr），通過主變壓器的磁化電感實現(xiàn)并聯(lián)諧振電感（Lm）。然而，完全集成的方法會限制設(shè)計并影響轉(zhuǎn)換器的性能。因此，在LLC中，串聯(lián)電感（Lr）被實現(xiàn)為分立組件，盡管Lr集成在主變壓器的同一磁結(jié)構(gòu)中。

諧振電感（Lr）采用Ferroxcube的3C95 PQ38/8/25芯構(gòu)建，而主變壓器由兩塊相同的芯和材料構(gòu)建。Lr堆疊在主變壓器的頂部，并與初級側(cè)繞組同向纏繞。這樣，部分體積內(nèi)的磁通被有效抵消，總芯損耗部分降低。

主變壓器的匝數(shù)比為16:1，初級繞組分布在四個PCB上，旨在最小化等效串聯(lián)電阻（ESR）并優(yōu)化效率。在次級側(cè)，12個交錯的銅板以中心抽頭模式排列，具有兩個特定目的：適應高循環(huán)電流和最小化損耗，同時增強散熱。此外，Lr的繞組采用利茲線構(gòu)建，由512股直徑為0.05 mm的線組成。

由于PSU的高度限制（27 mm），主電路板被切割以適應集成的Lr和主變壓器結(jié)構(gòu)的高度（約25 mm）。這種切割同時有助于熱管理，通過熱界面使磁芯與鋁板直接熱連接。

3.6 驅(qū)動電路

3.6.1 交錯式圖騰柱PFC中CoolGaN?和CoolMOS?的驅(qū)動

為了確保PFC轉(zhuǎn)換器的正常運行，驅(qū)動級起著關(guān)鍵作用。根據(jù)CoolGaN?器件的推薦驅(qū)動電壓，采用了8 V/0 V的單極性驅(qū)動電壓。偏置電源最初由12 V輸出反激式轉(zhuǎn)換器通過1EDB8511B門驅(qū)動器作為振蕩器和變壓器創(chuàng)建隔離，轉(zhuǎn)換為8 V。

由于氮化鎵（GaN）MOSFET需要穩(wěn)態(tài)“導通”電流和負“關(guān)斷”電壓，不能像傳統(tǒng)MOSFET那樣驅(qū)動。因此，選擇了圖12所示的解決方案，將1EDF5673K門驅(qū)動器和無源RC電路相結(jié)合，在穩(wěn)態(tài)“導通”狀態(tài)下提供一定量的電流，并在關(guān)斷時提供負電壓，以確保CoolGaN?的正確開關(guān)。這種方法既簡單又經(jīng)濟高效，是一種優(yōu)秀的實現(xiàn)方案。

圖13展示了1EDF5673K門驅(qū)動器的開關(guān)序列。示波器圖像顯示了應用于高端MOSFET的Vgs的序列。在不同的時間段內(nèi)，驅(qū)動器對高端和低端MOSFET進行不同的操作，以確保正確的開關(guān)和減少損耗。

對于CoolMOS? MOSFET的驅(qū)動，采用了混合驅(qū)動方法，即隔離的高端開關(guān)和非隔離的低端開關(guān)。此外，對于四個以50 Hz開關(guān)的CoolMOS? MOSFET同步整流腿，采用了自舉方法以降低成本。在這種情況下，需要適當?shù)碾娙莩叽鐏泶_保放電并避免觸發(fā)驅(qū)動器的UVLO閾值。

3.6.2 LLC轉(zhuǎn)換器中CoolMOS?的驅(qū)動

LLC轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)采用了兩個TOLL封裝的CoolMOS? 55 mΩ器件（CoolMOS? IPT60R055CFD7）。由于XMC4400 MCU的地與LLC轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)相關(guān)，為了控制LLC半橋并確保初級和次級側(cè)之間的隔離，使用了EiceDRIVER? 2EDB8265H驅(qū)動器，如圖25所示。

3.7 穩(wěn)態(tài)運行實驗結(jié)果

3.7.1 交錯式PFC穩(wěn)態(tài)運行

圖15和圖16分別顯示了PFC在115 V AC和230 V AC、50 Hz、標稱負載條件下的主要穩(wěn)態(tài)波形。這些波形展示了交錯式圖騰柱PFC在穩(wěn)態(tài)條件下的行為，包括交流輸入電壓、輸入電流、兩個PFC扼流圈中的電感電流以及大容量電壓等。圖17顯示了交錯式PFC對交流輸入電流的好處，通過交錯操作可以減少輸入電流的紋波。

圖18顯示了交錯式PFC在低線和高線條件下的效率結(jié)果。在接近1000 W的輸出功率時，效率峰值達到98.86%；在115 V AC時，效率在約500 W時達到峰值98.01%。

3.7.2 LLC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)運行

圖26和圖27分別顯示了LLC轉(zhuǎn)換器在50%和100%負載條件下的初級側(cè)穩(wěn)態(tài)波形，包括諧振電流波形、半橋低端MOSFET的漏源電壓以及半橋MOSFET的柵源電壓。這些波形直觀地展示了LLC在不同負載條件下的穩(wěn)態(tài)運行行為。

圖28和圖29從次級側(cè)的角度展示了LLC轉(zhuǎn)換器在100%和50%負載下的穩(wěn)態(tài)性能?？梢钥闯?，同步次級MOSFET的漏源電壓的最大峰值始終低于27 V。

圖30顯示了LLC轉(zhuǎn)換器在400 V輸入電壓下的效率測量結(jié)果。在接近600 W的輸出功率時，LLC效率達到了近97.35%的出色峰值。

4. 完整電源供應單元性能

4.1 效率

完整電源供應單元的效率在滿載條件下運行60分鐘后進行測量。圖31顯示了115 V和230 V AC RMS輸入、12 V DC輸出時的效率結(jié)果以及效率目標。在高線輸入電壓下，REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板在230 V AC、