Vid utveckling av basstationer är det oundvikligt att man tvingas göra kompromisser vad gäller storlek, verkningsgrad och prestanda. Joe Chong, affärsdirektör, Maxim Integrated beskriver här hur nätaggregat baserade på digital styrning kan lösa många av problemen.

Basstationernas behov av energi utgör en avsevärd kostnadsfaktor för mobiloperatörerna. Det innebär att ett energibesparande nätaggregat i hög grad kan bidraga till att reducera driftskostnaderna. Härtill kommer att en låg effektförbrukning gör det möjligt att välja mindre kylare, vilket gör den färdiga radioenheten mindre. Eftersom dessa enheter ofta monteras på en stolpe eller på utsidan av en byggnad ger de minskade dimensionerna också mindre mekaniska påfrestningar.
Basbandsenhetens uppgift är att hantera cellens data- och rösttrafik. För att klara detta behöver den flera olika spänningar med strömmar upp till och över 60 A. För att uppnå detta krävs ett flerfasigt nätaggregat som kan överföra viktig information om status och driftsparametrar till en central styrenhet.
Styrningen av nätaggregatets prestanda blir bättre om enhetens driftsparametrar övervakas – och detta leder också alltid till högre tillförlitlighet. När matningsspänningen till basstationen slås till eller stängs av är det mycket viktigt att det går att aktivera och avaktivera ett stort antal olika spänningsaggregat (med både höga och låga spänningar) i rätt ordning.
Effekten och temperaturen måste ständigt övervakas under basstationens driftsperiod för att garantera att systemet arbetar inom tillåtna områden. Vid behov måste varnings- och felsignaler sändas.
I ett analogt system för effekthantering krävs det flera moduler plus en effekthanterare (power manager) för att implementera dessa funktioner. Ett system med digital effekthantering minskar istället komplexiteten, och behovet av en separat effekthanterare elimineras (Fig 1).

Digital styrkrets för DC/DC-omvandlare
MAX15301 är en digital PoL-styrkrets (Point-of-Load) från Maxim [1, 2] som erbjuder en funktion för auto-tuning och som använder aktiva metoder för kompensering. Kretsen kan anpassa sig efter ett brett spektrum av varierande parametrar för timing, spänning, ström och temperatur, liksom efter olika egenskaper hos externa komponenter.
Eftersom basstationer utsätts för extrema temperaturer måste deras driftstillförlitlighet garanteras över ett stort temperaturområde. Med ett traditionellt, analogt nätaggregat måste styrslingan täcka in ett brett register av driftsförhållanden, även om den bara kan konfigureras för ett mycket specifikt driftstillstånd. Om det är nödvändigt att ta hänsyn till variationer hos passiva komponenter – som induktanser och kondensatorer – blir kompenseringen ännu svårare.

Fig 1. En krets för analog effekthantering (B) är avsevärt mer komplex än effekthantering som realiserats digitalt (A). Lösningar för digital effekthantering kan integreras i varje individuell DC/DC-omvandlare, vilket ger flexibla och skalbara totallösningar.

Med digital styrning går det att utföra denna kompensering automatiskt, något som kallas för ”auto-tuning”. Samtidigt ger en digital styrkrets fördelar vid optimering av bandbredden. Högre bandbredd snabbar upp reaktionen på transienter i lasten. Detta gör att man kan tillåta större toleranser, eller använda mindre utgångskondensatorer för att kunna göra nätaggregatet mer kompakt.
Maxims digitala DC/DC-styrkrets MAX15301 använder en teknologi för auto-tuning kallad ”InTune”. Denna teknologi baseras på ”State-Space” eller modellprediktiv styrning, medan de flesta digitala styrkretsar baseras på PID-konceptet (Proportional-Integral-Derivate). (Fig 2).
Den automatiska InTune-kompenseringen gör att MAX15301 klarar sig utan den kompenseringskrets som analoga regulatorer normalt har i sin återkopplingsväg (Fig 3). Den utnyttjar de uppmätta, insamlade värdena som utdata (Fig 4) för att generera en matematisk modell. Komponenternas parametrar uppmäts automatiskt när matningsspänningen kopplas på.
På detta vis får man en spänningsomvandlare som klarar att ge sina högsta möjliga dynamiska prestanda med garanterad stabilitet. Härtill kommer att den digitala styrningen gör det möjligt att utnyttja en serie egenutvecklade algoritmer som optimerar verkningsgraden under ett stort antal olika driftsförhållanden.

Fig 2. Den digitala styrslingan i MAX15301 arbetar med auto-tuning. Styrningen, som implementerats som en State-styrkrets, mäter arbetsparametrarna på utgången och reagerar extra snabbt på ändringar tack vare möjligheterna att utföra ”InTune”-State-estimering.

”State-Estimator”-blocket inuti den digitala styrkretsen hämtar hem parametrarna för de externa komponenterna (spolar och kondensatorer, se fig 4) för vilka data har samlats in med hjälp av verkliga mätningar. PWM-styrslingan som beskrivs i fig 2 visar vilka komponenter som bildar InTune-styrkretsen. Förutom de gula blocken motsvarar kretslösningen med gråmarkerade block i princip en digital version av en analog styrkrets som arbetar i spänningsmod.
Vi börjar vid utgången (Vout), där det finns en anslutning till en A/D-omvandlare (ADC). Denna jämför den aktuella utsignalen med det önskade referensvärdet och digitaliserar skillnaden mellan dessa som en felsignal. Denna felsignal överförs till kompenseraren, som använder informationen tillsammans med de värden som samlats in under den föregående styrprocessen.
Den tidigare felsignalen plus den dessförinnan används för att förutsäga kraven för nästa intervalls pulsförhållande. Denna prediktering matas sedan in i den digitala pulsbreddsmodulatorn (DPWM), som styr drivkretsarna så att MOSFETarna kopplas på och av på önskat sätt.
Detta motsvarar hur konventionella PID-kompensatorer har använts under många år. En sådan digital kompensator fungerar, men den är inte särskilt snabb. Detta är orsaken till att första generationens digitala kraftkretsar inte kunde komma ens i närheten av att uppnå samma transientsvar som uppnåddes med analoga styrkretsar.
Därför valde Maxim en annan väg att implementera digital styrning av spänningen. Detta var nödvändigt, eftersom ett snabbare transientsvar i PID-styrslingan skulle ha resulterat i onödigt hög effektförbrukning. Därför har Maxims ingenjörer utvecklat en State-Space-styrkrets som baseras på det State-Estimate-block som nämnts ovan.

Fig 3. En digital regulator (A) använder mjukvara för att ”kompensera” för styrslingan. Den behöver inte något kompenseringsnät som kräver analoga styrkretsar (B) för att arbeta stabilt.

Denna estimator fungerar som ett slags mini-simuleringssystem, som börjar med att mäta upp parametrarna för det externa LC-filtret. (Maxim har patenterat själva idén att mäta en extern parameter hos det switchade aggregatet och använda denna parameter för att påverka kompensationen.)
Dessutom kan State-Space-styrkretsen härleda ytterligare signaler matematiskt för State-variabler som spolens AC-ström, kondensatorspänningen utan ESR-spänningen samt kondensatorströmmen.

Beräkna pulsförhållande
Med denna ytterligare information blir det möjligt att direkt beräkna vilket pulsförhållande som krävs för att utsignalen skall styras till det önskade värdet så snabbt som möjligt. Därför kan man tänka sig State-estimatorn som en matematisk enhet som beräknar en serie matrisekvationer som en del av styrkretsens uppstartssekvens. När dessa ekvationer har lösts för spänningsaggregatet, skapas en look-up-tabell inom den del som använder lösningen. Detta ger sedan den absolut kortaste beräkningsfördröjningen för varje digital DC-DC-slinga. Därtill kommer att InTune-slingan direkt kan beräkna den korrekta sekvensen av PWM-kommandon för att få slingan att åter reglera (istället för att använda historiska data för att göra en gissning om framtiden), vilket gör att transientsvaret snabbas upp ytterligare.

Att öka verkningsgraden
För att förbättra verkningsgraden hos omvandlingen är det nödvändigt att t ex minimera de förluster som uppstår genom konduktion, switchning och efterledning (reverse recovery). Konduktionsförlusterna kan minskas genom att man väljer MOSFETar med låg drain-source-resistans, RDS(ON). Dessutom kan en starkare drivning av gaten ytterligare förbättra denna parameter. Nackdelen med detta är att en högre drivspänning också ökar switchningsförlusterna.

Fig 4. För att möjliggöra auto-tuning mäter MAX15301 impedansen på utgången (L, ESRL, C, ESRC) – direkt när den startas, eller styrt av mjukvara via ett PMBus-kommando.

Hur som helst kan det vara en mycket stor fördel att kunna ställa in gate-drivningen individuellt. Vid högre strömmar medför en ökning av gate-drivspänningen en minskning av switchningsförlusterna, medan det vid lägre belastningar inte finns någon anledning att inte sänka denna spänning. En automatisk selekteringsprocess som hittar den ideala kompromissen mellan konduktions- och switchningsförluster kommer att optimera nätaggregatets verkningsgrad.

Adaptiv drivning av MOSFETar
Tack vare möjligheterna hos MAX15301 att driva MOSFETarna digitalt (adaptiv gate-drivning – AGD) kan MOSFETarna på höga sidan och på låga sidan drivas individuellt för att optimera dödtiden. Då mäter styr-ICn exakt upp utbredningsfördröjningarna i den aktuella applikationen (fig 5). Detta gör den genom att mäta fördröjningen mellan styrkretsens Turn-On-kommando och den verkliga ändringen av utspänningen med en så hög upplösning som 1 ns.
Denna adaptiva styrning av dödtiden gör det möjligt att minimera dödtiden, och den förhindrar pålitligt att båda MOFETarna leder samtidigt, vilket skulle orsaka en kortslutning. Härigenom går det att optimera omvandlarens verkningsgrad i realtid. Till skillnad mot konkurrerande styrkretsar kompenserar den adaptiva dödtidsstyrningen hos MAX15301 också för påverkan av förändrade omgivningsförhållanden i realtid.

Fig 5. Switchningsförlusterna hos MOSFETar uppstår i så kallade ”undershoot”-områden (markerade med rött till vänster), där substratdioden leder effekt. Den digitalt adaptiva gate-drivningen hos MAX15301 upptäcker detta med hjälp av en kalibreringspuls och kan minska omvandlarens omvandlingsförluster. Detta kan förbättra verkningsgraden med 1,7 procent.

För att ytterligare förbättra verkningsgraden hos den totala konstruktionen levererar MAX15301 sin egna, interna spänning via en ”BabyBuck”-switchregulator, istället för att använda en lineär styrkrets för logiken (3,3 V) och gatedrivstegen (5 V till 8 V). Fig 6 visar de totala förbättringar av verkningsgraden som möjliggörs av alla dessa metoder tillsammans.

Digital kraft minskar behovet av kortyta
Att minska kortytan är ett viktigt krav i mobilbasstationer, eftersom basstationer ofta installeras på en byggnad, ett torn eller en stolpe där vikten kan skapa problem. Inuti basstationen kräver den digitala signalbehandlingen stort utrymme, så det är svårt att hålla kretskortsytan nere.
PoL-omvandlare (Point-of-Load) med integrerade MOSFETar ger möjligheter att bygga kompakta, decentraliserade nätaggregat. Detta koncept är acceptabelt så länge som effektbehoven är låga, men vid högre strömmar uppstår problem.
En modul med MOSFETar är alltid optimerad för mycket specifika arbetsförhållanden. En lösning baserad på en styr-IC med externa MOSFETar ger däremot möjligheter till optimering, för MOSFETarna kan väljas för att uppfylla behoven hos specifika applikationer.

Fig 6. Sammanräknat kan funktioner som auto-tuning, State-estimering, adaptiv dödtidsstyrning och interna switchregulatorer för det inre spänningsaggregatet (istället för lineära regulatorer) öka den totala verkningsgraden hos digitala DC/DC-omvandlare med 2,5 procentenheter.

Dessutom kan externa MOSFETar – som ju är de komponenter som alstrar värme – bättre distribueras över kretskortet. Men även om detta förenklar värmedistributionen och effekthanteringen kräver det ett större kretskort.
Idag är det inte ovanligt att basbandsenheter kräver så höga strömmar som 60 A per utgång, tillsammans med flerfasiga effektomvandlare. DC/DC-omvandlare för så höga prestandakrav kräver ett stort antal passiva komponenter – och då speciellt utgångskondensatorer – för att uppfylla kraven på lågt spänningsrippel på utgången.
Den typ av snabb digital State-styrning med State-estimering som MAX15301 arbetar med (InTune) gör det möjligt att välja kondensatorer på utgången som är blott en tredjedel så stora jämfört med vad som konventionella, digitala PID-omvandlare kräver. Detta hjälper till att spara kortyta.
Den digitala switchmod-styrkretsen MAX15301 kan konfigureras för att användas i såväl enfasiga som flerfasiga DC/DC-omvandlare. Auto-tuning-teknologin förenklar utvecklandet inte bara av enskilda DC/DC-omvandlare, utan också av kompletta, decentraliserade nätaggregat med effekthantering. Till och med utvecklare utan speciellt omfattande erfarenheter kan snabbt ta fram komplexa nätaggregat.
Joe Chong, affärsdirektör, Maxim Integrated

Referenser
[1] www.maximintegrated.com
[2] www.maximintegrated.com/datasheet/index.mpv/id/7560/t/al

Filed under: Stromforsorjning