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5G 및 차세대 통신 장비를 위한 향상된 -48VDC 전원 공급장치 설계

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글/하메드 사노고(Hamed M. Sanogo) 최종 시장 스페셜리스트, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

요약

새로운 시장과 애플리케이션이 끊임없이 등장함에 따라 모바일 데이터에 대한 수요가 가파르게 증가하고 있다. 보다 밀도 있게 셀룰러 사이트를 추가로 구축하는 것 외에는 별다른 해결책이 없다. 이 같은 상황은 매크로셀, 스몰셀 및 펨토셀 제품 설계에 직접적인 영향을 미친다. 현재 무선 통신은 멀티밴드이며, 전력 증폭기(PA) 설계 엔지니어는 전력 증폭기의 출력을 더 높은 한계와 수준으로 끌어 올리고 있다. 이 글은 시스템에서 여러 개의 전력 증폭기로 구성되는 80W 전력 증폭기에 초점을 맞추고 있다. 

1400W 원격 무선 장치(RRU) 플랫폼은 이제 흔하게 볼 수 있지만, 네트워크 사업자는 커버리지 밀도가 높아짐에 따라 이러한 원격 무선 장치가 더 전력 효율적이고, 더 신뢰할 수 있으며, 더 소형화되기를 원한다. PoL은 보다 폭 넓은 입력 전압 및 넓은 동작 온도 범위에서 작동해야 하며, 무엇보다 비용 효율적이어야 한다. 

그러나 500W 이상의 전력이 필요한 애플리케이션의 경우, 능동 클램프와 주 스위치 게이트 드라이브 사이의 지연 타이밍을 유지하기 위해 향상된 제어 방식이 필요해짐에 따라 능동 클램프 포워드 컨버터 설계의 2차 회로에서 자기 부품 설계와 전도 손실을 관리하기가 어려워졌다. 이 글에서는 네트워크 트래픽의 엄청난 증가로 인해 이러한 고밀도 네트워크에서 발생하는 높은 밀도의 전력 사용 상황을 해결할 수 있는 확장 가능하고 적층 가능한 -48VDC PoL 솔루션을 소개한다.

머리말

통신 및 무선 네트워크 시스템은 통상 -48VDC 전원으로 동작한다. DC 전원은 보다 단순하기 때문에 인버터 없이도 배터리를 사용하여 전원 백업 시스템을 구축하는 것이 가능했다. DC 전원은 배터리에 저장할 수 있으며, 이러한 배터리는 유틸리티 전력이 중단된 후에도 일정 기간 동안 계속 동작할 수 있다. 그러나 -48VDC는 전력 증폭기에 전원을 공급하기 위해 승압하거나 디지털 베이스밴드 장치(BBU)를 위한 작동 가능한 양극 전원으로 강압하기 전에 먼저 양의 중간 버스 전압으로 효율적으로 변환되어야 한다. 

지금까지 100 ~ 350W 용량의 전원 공급장치는 많은 애플리케이션을 처리하기에 충분했다. 포워드 컨버터는 괜찮은 선택이었으며, 수년 동안 통신 베이스밴드 장치와 원격 무선 장치에 사용되어 왔다. 그러나 모바일 데이터에 대한 수요가 증가함에 따라 새로운 시장과 애플리케이션이 속속 등장하면서 포워드 컨버터는 이제 심각한 도전을 받고 있으며, 특히 이러한 새로운 무선 설계의 출력 전력 요구사항이 500W를 넘는 경우 더욱 문제가 된다. 

이 글에서는 모든 요구사항과 과제를 해결하고 오늘날의 5G 통신 장비 요구사항을 충족하는 적층 가능한 인터리빙 다상 고전압 인버팅 벅-부스트 컨트롤러를 살펴본다. 그 전에 먼저 -48VDC는 어디에서 비롯되고, 그리고 왜 음 전위인지부터 알아보기로 한다.

일반적인 통신 DC 전원 시스템

통신 및 무선 네트워크는 일반적으로 -48VDC 전원으로 동작한다. 왜 그럴까? 간단히 설명하면 -48VDC는 양극 접지 시스템이라고도 하며, 통신 신호를 지원하기에 충분한 전력을 제공하면서도 통신 활동을 하는 동안 인체에 더 안전하기 때문에 선택된 것이다. 현재 안전 규정 및 전기 규격에서는 50VDC 이하에서 동작하는 모든 것이 안전한 저전압 회로로 인정되고 있다. 또 다른 이유는 -48VDC는 전력 계통에 정전이 일어날 경우 통신 사업자가 직렬 연결된 12V 납축전지를 사용하여 손쉽게 백업 전원으로 작동하도록 할 수 있기 때문이다. 

-48VDC는 양극 전압보다 금속 부식을 덜 일으키거나 최소한 갈바닉 부식을 억제하는 것으로 인식되므로 여전히 유선 및 무선 서비스를 제공하는 통신 시설에서 표준으로 통용된다. 그림 1은 -48VDC가 어떻게 생성되고 분배되는지에 초점을 맞춰 간략하게 표시한 일반적인 통신 DC 전원 시스템을 보여준다. 통신 DC 전원 시스템은 보통 국가 전력망 시스템, 디젤 발전기, 자가 작동 AC 자동 절환 스위치(ATS), 전력 분배 시스템, 태양광 패널 또는 보드, 컨트롤러 및 충전기, 정류기, 직렬로 배열된 백업 배터리, 그리고 대응하는 케이블과 차단기를 포함한다.

전력망으로부터 전원 공급이 끊기면, 디젤 발전기는 자동으로 DC 포트 시스템에 AC 전원을 공급하도록 설계된다. 자동 절환 스위치는 다양한 소스의 전압을 장치에 동기화한다. 현장의 통신 장비들은 대부분 DC 전압 공급을 필요로 하기 때문에 전력망이나 디젤 발전기의 AC 전원은 정류기에 의해 -48VDC로 변환된다. 이러한 리던던트 정류기는 AC 전원을 -48VDC 전원으로 변환하는 데 사용되며, 변환된 전원은 배터리를 세류 충전하고 주요 부하를 지원하는 데 사용된다. 정류기가 작동하지 않을 경우 부동 상태인 배터리가 통신 장비나 그 밖에 다른 부하에 -48VDC 전원을 공급한다. BTS(base transceiver subsystem) 또는 RRH(remote radio head)는 실제 전원의 차이를 인식하지 못하며, 모든 것이 정상적으로 작동을 계속한다. 전원이 다시 들어오면 정류기가 다시 넘겨 받는다. 기본적으로 전체 발전소는 대형 무정전 전원 공급장치(UPS)처럼 작동한다.

포워드 컨버터의 한계

-48VDC가 어디에서 비롯되었는지에 대한 설명은 이것으로 간략히 정리하고, 이제 -48VDC를 양극 전압으로 변환하기 위해 업계에서 가장 많이 사용하는 PoL 토폴로지 가운데 하나를 살펴보기로 한다. 많은 통신용 PoL 설계 엔지니어는 능동 클램프 포워드 컨버터를 사용하여 인버팅 벅-부스트 설계를 구현한다. 이 외에도, 사용되는 다른 회로 버전으로 푸시-풀, 하프 브리지 또는 풀 브리지 컨버터가 있다. 능동 클램프 포워드 컨버터의 장점은 무손실에 가까운 복구 방법을 통해 대부분의 트랜스포머 누설 에너지를 회수할 수 있다는 것이다. 

PoL 설계 엔지니어는 먼저 능동 클램프 리셋에 고유한 기본 타이밍을 이해하는 것이 중요하다. 실제로 클램프 커패시터의 크기를 잘못 설정하면 PoL의 듀티 사이클이 증가해 트랜스포머 포화를 초래하고 주 스위치에 장기적인 신뢰성 영향을 미칠 수 있다. 그림 2는 기존의 로우 사이드 트랜스포머 리셋 능동 클램프 포워드 회로 설계를 보여준다. 트랜스포머 리셋 메커니즘에는 CCLAMP 및 Q1이 있다.

능동 클램프와 관련된 몇 가지 단점으로, 우선 클램프 커패시터의 크기를 정밀하게 설정해야 한다는 점을 꼽을 수 있다. 커패시터 값이 크면 전압 리플이 줄어들지만, 과도 응답이 제한된다. 능동 클램프 포워드 토폴로지는 능동 클램프와 주 스위치 게이트 드라이브 간의 지연 타이밍을 동기화하기 위해 향상된 제어 기법을 사용할 필요가 있다. 능동 클램프와 관련된 또 다른 단점은 일부 최대값으로 클램핑하지 않으면 듀티 사이클이 증가하여 트랜스포머 포화나 주 스위치에 추가적인 전압 스트레스가 발생할 수 있다는 것인데, 이는 치명적일 수 있다. 

마지막으로, 능동 클램프 포워드 컨버터는 단일 스테이지 DC-DC 컨버터라는 점이다. 5G 시스템에서 800W 장비가 표준이 되는 등 전력 수준이 높아짐에 따라 다상 설계가 전력 소모가 큰 애플리케이션에 더 많은 이점을 가져올 수 있다. 단상 컨버터는 다상 인터리빙 동작을 사용할 경우 따라오는 모든 장점을 얻을 수 없다. 또한 능동 클램프 포워드 설계는 더 높은 출력 전력으로 확장할 수 없으며 더 낮은 출력 전력을 갖는 설계와 유사한 결과를 갖는다. 

다음 섹션에서는 MAX15258 인버팅 벅-부스트 컨버터를 살펴보기로 한다. 그림 3은 5G 매크로 또는 펨토 원격 무선 장치 보드를 위한 전원 공급장치의 일반적인 상위 수준 블록 다이어그램을 보여준다. 핫스왑 컨트롤러는 거의 보편적으로 -48VDC 컨버터 앞에 배치된다. 모든 기능을 갖춘 -48VDC 핫스왑 파워 매니저의 예로는 ADM1073과 LTC4284를 들 수 있다. 이들 디바이스는 이러한 애플리케이션에 매우 적합하다.

[그림 3] 5G 매크로 기지국을 위한 전원 공급장치 블록 다이어그램

업계 선도적인 IC 제품들

MAX15258은 I2C 디지털 인터페이스가 있는 고전압 다상 부스트 컨트롤러이며, 단상 또는 2상 부스트/인버팅 벅-부스트 구성에서 최대 2개의 MOSFET 드라이버 및 4개의 외부 MOSFET을 지원하도록 설계됐다. 2개의 컨트롤러를 적층하여 3상 또는 4상으로 구성할 수도 있다. 이 디바이스는 적절한 수준의 위상 편이로 위상을 구동하여 리플 제거를 극대화한다. 인버팅 벅-부스트 컨버터로 구성할 경우, MAX15258은 출력 전압을 차동 감지하는 내부 고전압 피드백 레벨 시프터를 제공한다. 그림 4는 인터리빙 2상 인버팅 벅-부스트 구현을 간략화한 블록 다이어그램을 보여준다.

이 IC를 사용하면 설계 엔지니어는 포워드 컨버터 설계에서 수행해야 했던 설계 계산 단계에서 발생 가능한(15 ~ 20%) 위상 불균형을 고려할 필요가 없다. 이 컨트롤러는 빠른 과도 응답을 제공하는 고정 주파수 피크 전류 모드 아키텍처를 사용하여 출력을 조절한다. 제어 루프의 자세한 블록 다이어그램은 디바이스의 데이터 시트에서 확인할 수 있다. 이 디바이스는 RSENSE를 통해 각 위상의 로우 사이드 MOSFET 전류를 모니터링하고, 2개의 MAX15258 IC를 호스트 노드 구성으로 적층할 경우 차동 전류 감지 신호를 사용하여 적절한 능동 위상 전류 균형 동작을 보장한다. 

전류 불균형은 사이클별 전류 감지 회로에 피드백으로 인가되어 부하 전류가 두 위상 간에 균등하게 공유되도록 조절할 수 있게 도와준다. 3상 또는 4상 동작에서, 이 노드 디바이스는 차동 (CSIO+, CSIO-) 신호를 사용하여 평균 전류를 호스트 컨트롤러에 전달한다. 이러한 정확한 전류 균형 기능은 MAX15258이 PoL 설계 엔지니어에게 매우 매력적으로 보일 수 있게 하는 특징이다. 그림 5는 두 컨트롤러를 CSIO+ 및 CSIO- 신호로 연결한 4상 인터리빙 인버팅 벅-부스트 -48VIN ~ +48VOUT 800W 전원 공급장치를 보여준다. 조정된 위상 인터리빙 방식에서 클럭 동기화를 보장하기 위해 두 디바이스의 SYNC 핀도 연결된다.

다시 말하지만, MAX15258은 기본적으로 비교적 낮은 주파수에서 실행하는 부스트 컨버터이다. 따라서 스위칭 손실이 자연적으로 줄어든다. 스위칭 손실은 이러한 컨버터에서 전력 손실의 가장 중요한 요인이다. 이 디바이스는 최대 1MHz 스위칭 주파수를 지원하도록 설계됐다. 다상 동작에서 위상은 병렬로 실행되며, 모두 동일한 주파수에서 실행되지만 인터리빙된다. 전체 등가 주파수는 N × 주파수이며, 여기서 N은 위상 수이지만 손실은 각 컨버터의 주파수에서 발생하는 손실이다. 

인터리빙 구현은 출력 커패시터에서 나타나는 리플 전류의 일부를 제거한다. 입력 리플 전류가 크게 감소하므로, 더 작은 입력 인덕터를 사용할 수 있다. 또한 ADI의 특허 받은 커플 인덕터(couple inductor, CL) 기술은 출력 리플 전류를 감쇠시켜 더 낮은 리플 전류 등급을 갖는 저렴한 커패시터를 사용할 수 있다. 이는 전체 PoL PCB 풋프린트를 줄이고 효율을 높인다. 기본적으로 전체 주파수는 똑같이 높지만 각각의 컨버터가 낮은 주파수의 낮은 손실 영역에서 동작하기 때문에 많은 출력 전력을 제공할 수 있다. 이것이 MAX15258을 -48VDC 변환을 위한 선도적인 솔루션으로 만드는 비결이다.

능동 클램프 포워드 토폴로지는 듀티 사이클을 달성하는 능력을 제한하므로 작동하기 위한 특정 VIN 및 VOUT 조합을 얻기가 까다롭다. 통신 OEM은 동일한 플랫폼에서 다양한 주파수를 결합하기 때문에 다양한 PA 출력 전압 범위를 지원할 수 있어야 하는데, 이는 어려운 요구사항이 되고 있다. 능동 클램프 포워드 컨버터는 출력 전력이 제한적이다. MAX15258은 56V의 높은 피크 전압을 위한 IPC9592B 핀 간극 또는 PCB 도체 간격 요구사항을 만족한다. IPC9592B 표준은 30 ~100V 동작 전압에 대한 PWB 표면 간극을 계산하는 공식을 제공한다. 즉, 간극(mm) = 0.1 + VPEAK × 0.01이다(예를 들어 56V의 경우, 고전압 핀과 다른 핀 사이의 간격은 0.66mm이다).

마지막 분석으로, 능동 클램프 포워드 컨버터는 트랜스포머가 포화되지 않도록 하려면 너무 많은 복잡한 단계를 필요로 한다. 그러나 MAX15258은 전압을 자동으로 인버팅하여 우수한(더 높은) 듀티 사이클 성능과 탁월한 효율로 매우 높은 출력 전력을 달성한다. 이러한 특성 덕분에 확장 가능하고 적층 가능한(최대 4상) 플랫폼 설계가 가능하여, 넓은 VIN 및 VOUT 범위를 수용할 수 있는 유연하고 안정적인 듀티 사이클 제어를 제공한다. 

그림 6은 다양한 VIN 및 VOUT 선택에서 결합된 인덕터 기반 MAX15258 800W 레퍼런스 디자인의 효율 곡선을 보여준다. 그래프는 낮은 전도 손실로 인해 98% 이상의 범위에서 동급 최고의 효율 수치를 명확하게 보여준다. 이 모든 것이 더 낮은 BOM 비용으로 달성된다.

I2C 디지털 인터페이스를 통해 사용자는 MAX15258에서 VIN, VOUT, 위상 전류, 오류 상태를 비롯한 다양한 원격 측정 정보를 읽어올 수 있다.

또한 디지털 인터페이스를 통해 출력 전압을 동적으로 설정할 수 있다. 그림 7a에서는 -48VIN 및 +48VOUT(16A IOUT)에서 MAX15258 CL 800W 레퍼런스 디자인의 정상 상태 부하 전류 동작에서 측정된 보드 플롯(Bode plot)을 볼 수 있다. 결과는 74.4° 위상 마진과 -20.7dB 이득 마진을 보여준다. 그림 7b는 부하 과도 응답 그래프이다. 그림에서 볼 수 있듯이 스위칭 에지는 오버슈트가 거의 없고 링잉이 없어 매우 깨끗하다.

[그림 7] (a) 정상 상태 부하 전류 동작에서 측정된 보드 플롯. (b) 부하 과도 응답: Ch3―VOUT(AC), 1V/div; Ch2―ILOAD, 10A/div

결론

네트워크 사업자는 어느 때보다 더 빠르게 더 많은 장소에 더 많은 스몰셀을 구축해야 한다. 물론 이러한 제품의 PoL은 전력 변환 효율 정격이 최소 98%로 매우 효율적이어야 한다. MAX15258 고전압 인버팅 벅-부스트 컨트롤러 설계는 비용 효과적이고 효율적이며 확장 가능하므로 동일한 PCB 레이아웃에 위상을 쉽게 추가하고 제거할 수 있다. 

이러한 이점 덕분에, 전력 컨버터 설계 엔지니어는 전력 변환 효율을 높일 수 있다. ADI는 전원 공급장치 아키텍처에 대한 폭넓은 전문지식을 바탕으로 5G 시장을 위해 설계된 더 많은 -48VDC 고전력 변환 솔루션을 개발함으로써 이와 유사한 과제에 지속적으로 대응해 나갈 것이다.  

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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