如何利用數字電源優化基站系統

　　基站電源工程師面臨著眾多的設計挑戰，無線運營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。為最大程度地滿足上述應用需求，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有效優化系統性能，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線運營商意義重大，需要采用更高效率的電源方案來降低運營費用。此外，功耗的降低還有助于散熱設計，運營商在無線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，由于無線單元通常安裝在電線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，以處理網絡的大量數據和語音流量。基帶單元要求大電流、多路電壓供電，總電源電流可能超過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包括降低傳導損耗、開關損耗和反向恢復損耗。可通過選擇低導通電阻（RON）的MOSFET 降低傳導損耗；較高的柵極驅動也有助于降低導通電阻（RRDSON），但較高的開關電壓會在某種程度上增大開關損耗。盡管如此，最好選擇可設置的柵極驅動功能。負載電流較大時，較高的柵極驅動電壓會降低傳導損耗；輕載條件下，則可降低柵極驅動電壓。自動選擇能夠優化傳導損耗與開關損耗之間的平衡，有利于基站電源設計。

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

　　簡化電源復雜度、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啟/關閉。需要對基帶工作過程中的電流、溫度進行監測，以確保系統工作在容限范圍內，并在必要時提供報警或故障指示信號。另外，遠端控制功能和先進的故障管理功能能夠確保基站實現更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個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。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題。同時，無源器件（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，數字架構中能夠實現自動補償，并有利于優化帶寬。更大頻寬的負載瞬態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，由于無源器件參數隨著溫度的變化而發生變化，自動補償功能能夠自適應調整，適應條件的變化，從而在整個溫度范圍內實現最優設計。

　　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，確保最優的基站性能。Maxim InTune產品，例如MAX15301，解決了電源管理的設計難題。這些產品很容易實現高性能、DC-DC電源設計，濾波電容尺寸更小，具備更高的工作效率。該數字電源技術基于“狀態空間”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中的自動補償過程基于實測參數，有利于構建電源的內部數學模型，包括外部元件，最終使得開關電源具有更高的動態性能，保證穩定工作。該設計采用多種專利算法，在較寬的工作范圍內優化效率。

　　減小電路板面積

　　由于天線可能安裝在建筑物、發射塔或電線桿上，系統重量成為主要考慮的問題，迫切需要減小無線單元的電路板面積，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，可用于負載點電源。這種方案對于低功率應用切實可行，但不適合大電流設計。基于控制器的方案允許針對特定的工作條件對MOSFET器件進行優化選擇，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會增大電路板面積。

　　由于基帶單元的供電電流會高達 60A/電源，要求多相轉換方案。對于這些大電流電源，需要增加無源器件的數量（本例中為電容），以滿足瞬態要求。MAX15301可配置用于單機或多相工作。MAX15301數字控制器采用專有的自動調節技術，大大簡化了設計。設計中無需工程師進行電源補償，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系。Maxim基于數字遠端控制的新一代電源方案具有簡單、靈活、調整方便等優勢。采用MAX15301設計的電源系統能夠提供更高的集成度和靈活性。通過連續補償監測，優化總體性能。此外，數字遠端控制功能使得設計平衡與折衷更簡單、直接。