1000W電信電源：5G邊緣計(jì)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(jì)算和小型基站的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些應(yīng)用對(duì)電源的要求也越來(lái)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(jì)的，它采用了CoolGaN? 600 V和CoolMOS? 600 V CDF7等先進(jìn)技術(shù)，為5G邊緣計(jì)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(jì)算與電源需求

1.1 邊緣計(jì)算概述

邊緣計(jì)算是一種分布式開(kāi)放平臺(tái)，它將計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用等網(wǎng)絡(luò)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(luò)邊緣提供智能服務(wù)。與傳統(tǒng)的云計(jì)算不同，邊緣計(jì)算直接在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的設(shè)備或其附近對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無(wú)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(shí)現(xiàn)了“實(shí)時(shí)”數(shù)據(jù)處理和更快的響應(yīng)速度，非常適合支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）架構(gòu)。

典型的邊緣計(jì)算架構(gòu)包括終端、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和云計(jì)算節(jié)點(diǎn)。終端層由各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)收集和報(bào)告原始數(shù)據(jù)；邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署和分配計(jì)算與存儲(chǔ)能力，以響應(yīng)基本服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)獲得的有用數(shù)據(jù)上傳到云計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和處理；云計(jì)算節(jié)點(diǎn)則永久存儲(chǔ)邊緣計(jì)算層報(bào)告的數(shù)據(jù)。

1.2 邊緣計(jì)算對(duì)電源的要求

邊緣計(jì)算通常通過(guò)高度可擴(kuò)展和緊湊的微型數(shù)據(jù)中心來(lái)部署，其功率需求從“鞋盒式”的≤1kW到集裝箱式的高達(dá)500kW不等。在最近的信號(hào)塔安裝中，邊緣系統(tǒng)通常包括一個(gè)IP65防護(hù)等級(jí)的外殼，可以安裝在電信無(wú)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(jì)算設(shè)備的廣泛部署，無(wú)論是在偏遠(yuǎn)地區(qū)還是人口密集地區(qū)，對(duì)電源的要求都非常嚴(yán)格。首先，電源需要具有緊湊和輕薄的外形，以適應(yīng)有限的空間。其次，效率必須高，因?yàn)闊o(wú)處不在的微型數(shù)據(jù)中心安裝意味著無(wú)論是在偏遠(yuǎn)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(hù)成本是運(yùn)營(yíng)商公司運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的重要組成部分。因此，大量使用對(duì)流冷卻可以減少維護(hù)需求（無(wú)需更換風(fēng)扇和過(guò)濾器）。一般來(lái)說(shuō)，即使在IP65防護(hù)等級(jí)的外殼內(nèi)，戶外操作也對(duì)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(yùn)行。因此，散熱和熱管理是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。綜上所述，戶外邊緣服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)。

2. REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板介紹

2.1 設(shè)計(jì)概述

REF_1KW_PSU_5G_GaN參考板是英飛凌為滿足5G邊緣計(jì)算和小型基站的電源需求而設(shè)計(jì)的一款完整系統(tǒng)解決方案。該電源供應(yīng)單元（PSU）由兩個(gè)轉(zhuǎn)換器組成：一個(gè)交錯(cuò)式圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）轉(zhuǎn)換器和一個(gè)DC - DC隔離半橋（HB）LLC轉(zhuǎn)換器。前端轉(zhuǎn)換器采用交錯(cuò)式圖騰柱拓?fù)?，提供功率因?shù)校正（PFC）和總諧波失真（THD）控制，以實(shí)現(xiàn)高效率；后端轉(zhuǎn)換器是一個(gè)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(diǎn)

• 緊湊設(shè)計(jì)：整體尺寸為150 mm x 80 mm x 27 mm，功率密度達(dá)到50 W/in3，非常適合空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 高效率：在230 V AC輸入時(shí)，從額定負(fù)載的45%以上效率達(dá)到96%以上；在115 V AC輸入時(shí)，從額定負(fù)載的35%以上效率達(dá)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(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)：可以選擇將參考板安裝在散熱器上，通過(guò)對(duì)流冷卻，減少了維護(hù)需求。
• 全數(shù)字控制：采用英飛凌的XMC? MCU實(shí)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(fù)載突變和啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，都能保持穩(wěn)定可靠的運(yùn)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(dǎo)通電阻和快速開(kāi)關(guān)速度的特點(diǎn)。
• CoolMOS? 600 V：在PFC線路整流MOSFET中使用了IPT60R022S7，在DC - DC初級(jí)側(cè)半橋中使用了IPT60R055CFD7，這些MOSFET具有低導(dǎo)通損耗和高耐壓能力。
• OptiMOS? 6 40 V：在DC - DC次級(jí)側(cè)橋中使用了BSC009N04LSSC，具有低導(dǎo)通電阻和良好的開(kāi)關(guān)性能。
• EiceDRIVER? 系列：包括1EDF5673K、1EDN8550B、1EDB8275F、1EDN8511B、2EDS8265H和1EDN7511B等門(mén)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)不同的功率器件。
• XMC? MCU：XMC4200用于PFC控制實(shí)現(xiàn)，XMC4402用于DC - DC控制實(shí)現(xiàn)。
• ICE2QR2280G：用于偏置電源實(shí)現(xiàn)的開(kāi)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(yīng)單元由前端的AC - DC無(wú)橋交錯(cuò)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(cuò)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(shí)現(xiàn)，該控制卡包括PFC、THD、電壓調(diào)節(jié)、輸入過(guò)流保護(hù)（OCP）、過(guò)壓保護(hù)（OVP）、欠壓保護(hù)（UVP）和啟動(dòng)控制等功能。為了提高功率密度，標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)通模式（CCM）下運(yùn)行，開(kāi)關(guān)頻率為65 kHz，大容量電容的設(shè)計(jì)滿足了滿載時(shí)10 ms的保持時(shí)間要求。

LLC轉(zhuǎn)換器的控制由基于英飛凌XMC4400 MCU的另一個(gè)專用控制卡PCB實(shí)現(xiàn)，該控制卡包括帶擴(kuò)展消隱時(shí)間的開(kāi)環(huán)/過(guò)載保護(hù)、兩級(jí)OCP（頻率偏移和鎖存關(guān)閉）、帶可調(diào)滯后的市電輸入U(xiǎn)VP、高精度的可調(diào)最小開(kāi)關(guān)頻率、內(nèi)置數(shù)字和非線性軟啟動(dòng)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(guò)精心設(shè)計(jì)，以優(yōu)化性能和散熱。AC連接器位于最左側(cè)，旁邊是單級(jí)EMI濾波器。濾波器上方，兩個(gè)PFC扼流圈戰(zhàn)略性地放置在PCB切口處，以便通過(guò)熱界面材料與金屬基板進(jìn)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(gè)子卡，包含大容量電容器、NTC和靜態(tài)開(kāi)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(jí)的主開(kāi)關(guān)和所有驅(qū)動(dòng)器都位于主PCB的頂層。此外，偏置電源電路和兩個(gè)控制器都在一個(gè)子卡中實(shí)現(xiàn)，確保所有關(guān)鍵組件都經(jīng)過(guò)精心布局，以實(shí)現(xiàn)最佳性能并減少熱問(wèn)題。

3.3 信號(hào)調(diào)理

在交錯(cuò)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(wú)橋圖騰柱PFC轉(zhuǎn)換器中，電感電流有正有負(fù)。此外，如果控制地位于大容量電壓的負(fù)軌上，測(cè)量電感電流時(shí)需要隔離或共模抑制。因此，霍爾效應(yīng)傳感器是這種系統(tǒng)的一個(gè)很好的解決方案。

霍爾效應(yīng)傳感器的輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入非常匹配，當(dāng)使用相同的電壓供電時(shí)，可以測(cè)量正負(fù)電流，并且零電流時(shí)偏移到ADC范圍的一半。如果選擇具有適當(dāng)帶寬的傳感器，還可以檢測(cè)高頻紋波，并且該信號(hào)可用于峰值電流限制。在帶寬較低的情況下，霍爾效應(yīng)傳感器通常提供過(guò)流檢測(cè)信號(hào)，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(cè)非常簡(jiǎn)單，只需使用電阻分壓器即可。在交流電壓檢測(cè)方面，為了避免在交流過(guò)零期間沒(méi)有電流流入PFC時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)檢測(cè)兩條線相對(duì)于地的電壓，然后將它們相加。由于總交流檢測(cè)信號(hào)是整流的，比較兩條線和中性線的檢測(cè)電壓可以得到極性信號(hào)。

3.4 效率分析

3.4.1 交錯(cuò)式圖騰柱PFC效率

交錯(cuò)式PFC轉(zhuǎn)換器在115 V和230 V AC RMS輸入下運(yùn)行，開(kāi)關(guān)頻率為65 kHz。圖8顯示了PFC的估計(jì)設(shè)計(jì)效率（藍(lán)色曲線）和實(shí)際測(cè)量效率（紅色曲線）在230 V AC輸入時(shí)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(jì)結(jié)果仍然為PFC在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的行為提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。需要注意的是，PFC單元在接近1000 W的輸出功率時(shí)表現(xiàn)出高達(dá)99%的高峰值效率。

圖9展示了PFC在不同工作點(diǎn)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(kāi)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(jì)效率（橙色曲線）和實(shí)際測(cè)量效率（黃色曲線）的比較。數(shù)據(jù)表明，在中載時(shí)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L(zhǎng)LC轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)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(fù)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(jì)

3.5.1 PFC磁元件

在雙升壓AC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，主要的損耗來(lái)源之一是主電感和EMI濾波器。PFC扼流圈的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)均勻的熱分布，沒(méi)有熱點(diǎn)。因此，它們適用于追求最高功率密度的系統(tǒng)，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)良好的銅填充系數(shù)，同時(shí)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(hào)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(gè)等效電感和一個(gè)等效電容組成。這種拓?fù)涞囊粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)主變壓器的泄漏實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振電感（Lr），通過(guò)主變壓器的磁化電感實(shí)現(xiàn)并聯(lián)諧振電感（Lm）。然而，完全集成的方法會(huì)限制設(shè)計(jì)并影響轉(zhuǎn)換器的性能。因此，在LLC中，串聯(lián)電感（Lr）被實(shí)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(jí)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(jí)繞組分布在四個(gè)PCB上，旨在最小化等效串聯(lián)電阻（ESR）并優(yōu)化效率。在次級(jí)側(cè)，12個(gè)交錯(cuò)的銅板以中心抽頭模式排列，具有兩個(gè)特定目的：適應(yīng)高循環(huán)電流和最小化損耗，同時(shí)增強(qiáng)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(yīng)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(shí)有助于熱管理，通過(guò)熱界面使磁芯與鋁板直接熱連接。

3.6 驅(qū)動(dòng)電路

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

為了確保PFC轉(zhuǎn)換器的正常運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)級(jí)起著關(guān)鍵作用。根據(jù)CoolGaN?器件的推薦驅(qū)動(dòng)電壓，采用了8 V/0 V的單極性驅(qū)動(dòng)電壓。偏置電源最初由12 V輸出反激式轉(zhuǎn)換器通過(guò)1EDB8511B門(mén)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通”電流和負(fù)“關(guān)斷”電壓，不能像傳統(tǒng)MOSFET那樣驅(qū)動(dòng)。因此，選擇了圖12所示的解決方案，將1EDF5673K門(mén)驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源RC電路相結(jié)合，在穩(wěn)態(tài)“導(dǎo)通”狀態(tài)下提供一定量的電流，并在關(guān)斷時(shí)提供負(fù)電壓，以確保CoolGaN?的正確開(kāi)關(guān)。這種方法既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)高效，是一種優(yōu)秀的實(shí)現(xiàn)方案。

圖13展示了1EDF5673K門(mén)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)序列。示波器圖像顯示了應(yīng)用于高端MOSFET的Vgs的序列。在不同的時(shí)間段內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器對(duì)高端和低端MOSFET進(jìn)行不同的操作，以確保正確的開(kāi)關(guān)和減少損耗。

對(duì)于CoolMOS? MOSFET的驅(qū)動(dòng)，采用了混合驅(qū)動(dòng)方法，即隔離的高端開(kāi)關(guān)和非隔離的低端開(kāi)關(guān)。此外，對(duì)于四個(gè)以50 Hz開(kāi)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(dāng)?shù)碾娙莩叽鐏?lái)確保放電并避免觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的UVLO閾值。

3.6.2 LLC轉(zhuǎn)換器中CoolMOS?的驅(qū)動(dòng)

LLC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)采用了兩個(gè)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(jí)側(cè)相關(guān)，為了控制LLC半橋并確保初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的隔離，使用了EiceDRIVER? 2EDB8265H驅(qū)動(dòng)器，如圖25所示。

3.7 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.7.1 交錯(cuò)式PFC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

圖15和圖16分別顯示了PFC在115 V AC和230 V AC、50 Hz、標(biāo)稱負(fù)載條件下的主要穩(wěn)態(tài)波形。這些波形展示了交錯(cuò)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(gè)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(cuò)式PFC對(duì)交流輸入電流的好處，通過(guò)交錯(cuò)操作可以減少輸入電流的紋波。

圖18顯示了交錯(cuò)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(shí)，效率峰值達(dá)到98.86%；在115 V AC時(shí)，效率在約500 W時(shí)達(dá)到峰值98.01%。

3.7.2 LLC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

圖26和圖27分別顯示了LLC轉(zhuǎn)換器在50%和100%負(fù)載條件下的初級(jí)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(fù)載條件下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行行為。

圖28和圖29從次級(jí)側(cè)的角度展示了LLC轉(zhuǎn)換器在100%和50%負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)性能?？梢钥闯觯酱渭?jí)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(cè)量結(jié)果。在接近600 W的輸出功率時(shí)，LLC效率達(dá)到了近97.35%的出色峰值。

4. 完整電源供應(yīng)單元性能

4.1 效率

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