利用数字电源优化基站系统

摘要：  基站电源工程师面临着众多的设计挑战，无线运营商希望他们降低功耗并减小系统体积，子系统供电还要求一定的排序、监测、裕量调节等复杂任务。为最大程度地满足上述应用需求，设计人员必须采取各种折衷方法，达到包括电源转换效率与尺寸、性能复杂度与成本之间的平衡。

关键字：  基站电源，  系统设计，  电源方案

基站电源工程师面临着众多的设计挑战，无线运营商希望他们降低功耗并减小系统体积，子系统供电还要求一定的排序、监测、裕量调节等复杂任务。为最大程度地满足上述应用需求，设计人员必须采取各种折衷方法，达到包括电源转换效率与尺寸、性能复杂度与成本之间的平衡。本文介绍了一款新型、高度集成的电源方案，在提供系统设计灵活性的同时有效优化系统性能，帮助设计人员克服所面临的挑战。

提高效率

基站工作的能源成本对于无线运营商意义重大，需要采用更高效率的电源方案来降低运营费用。此外，功耗的降低还有助于散热设计，运营商在无线单元中可以采用更小的散热器。而散热器越小，单元电路的尺寸就越小。最后，由于无线单元通常安装在电线杆上或建筑物的一侧，减小总体尺寸就能够将机械应力降至最小。

基站的基带单元通常提供快速信号处理能力，以处理网络的大量数据和语音流量。基带单元要求大电流、多路电压供电，总电源电流可能超过60A，这就需要多相电源解决方案，并要求具有远端控制功能。提高电源转换效率的技术包括降低传导损耗、开关损耗和反向恢复损耗。可通过选择低导通电阻(RON)的MOSFET降低传导损耗;较高的栅极驱动也有助于降低导通电阻(RRDSON)，但较高的开关电压会在某种程度上增大开关损耗。尽管如此，最好选择可设置的栅极驱动功能。负载电流较大时，较高的栅极驱动电压会降低传导损耗;轻载条件下，则可降低栅极驱动电压。自动选择能够优化传导损耗与开关损耗之间的平衡，有利于基站电源设计。

MAX15301数字负载点(PoL)控制器采用先进的算法，在整个工作范围内实现最高水平的转换效率和瞬态响应。器件为外部MOSFET提供先进的高效率、自适应栅极驱动。器件通过连续自适应调节负载、电压和电流，优化电源效率。

简化电源复杂度、提高系统可靠性

如果能够监测系统参数，则可更好地管理系统性能，进而提高系统可靠性。如上所述，基带单元必须具备强大的信号处理能力，以处理大量数据和语音流量。上电/断电期间，多路不同电流/电压的电源必须按照正确的顺序开启/关闭。需要对基带工作过程中的电流、温度进行监测，以确保系统工作在容限范围内，并在必要时提供报警或故障指示信号。另外，远端控制功能和先进的故障管理功能能够确保基站实现更高的可靠性。如果采用模拟方案，这些功能将需要多个器件和电源管理的支持。而数字方案则可降低设计复杂度，只需独立的电源管理芯片(如图1所示)。

基站电源往往要求非常复杂的电源管理控制器，每项功能需要多个分立元件配合。设计方案的总电路板面积和复杂度也相应增长。另外，由于基站工作在极端温度条件下，设计方案必须在较宽的工作温度范围内保持可靠。对于传统的模拟电源方案，只能在单一工作条件下设置补偿，而又必须解决宽工作范围问题。同时，无源器件(例如电感和电容)的差异也加剧了电源补偿的复杂度。

数字系统可作为替代方案，数字架构中能够实现自动补偿，并有利于优化带宽。更大频宽的负载瞬态响应有助于改善系统容限或省掉输出电容，从而缩小系统尺寸。此外，由于无源器件参数随着温度的变化而发生变化，自动补偿功能能够自适应调整，适应条件的变化，从而在整个温度范围内实现最优设计。

图1 模拟(左图)和数字(右图)方案的系统设计。

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数字方案集成了电源管理，用于每路DC-DC转换器，构成灵活且便于裁减的系统。数字远端控制连续监测系统补偿，确保最优的基站性能。Maxim InTune产品，例如MAX15301，解决了电源管理的设计难题。这些产品很容易实现高性能、DC-DC电源设计，滤波电容尺寸更小，具备更高的工作效率。该数字电源技术基于“状态空间”或“模型预测”控制，而非比例-积分-微分(PID)控制，大多数数字控制器都采用后者。MAX15301中的自动补偿过程基于实测参数，有利于构建电源的内部数学模型，包括外部元件，最终使得开关电源具有更高的动态性能，保证稳定工作。该设计采用多种专利算法，在较宽的工作范围内优化效率。

减小电路板面积

由于天线可能安装在建筑物、发射塔或电线杆上，系统重量成为主要考虑的问题，迫切需要减小无线单元的电路板面积，特别是基带单元，功能强大的数字处理器占用非常大的电路板面积。集成MOSFET具有更小封装，可用于负载点电源。这种方案对于低功率应用切实可行，但不适合大电流设计。基于控制器的方案允许针对特定的工作条件对MOSFET器件进行优化选择，因而具有更大灵活性，这种方案也有利于电路板散热，便于热管理。当然，外部MOSFET会增大电路板面积。

由于基带单元的供电电流会高达60A/电源，要求多相转换方案。对于这些大电流电源，需要增加无源器件的数量(本例中为电容)，以满足瞬态要求。MAX15301可配置用于单机或多相工作。MAX15301数字控制器采用专有的自动调节技术，大大简化了设计。设计中无需工程师进行电源补偿，可确保最佳补偿。集成远端控制功能也降低了对外部IC的要求，能够支持更高密度的设计。

总结

基站电源设计需要仔细权衡体积、效率和性能之间的关系。Maxim基于数字远端控制的新一代电源方案具有简单、灵活、调整方便等优势。采用MAX15301设计的电源系统能够提供更高的集成度和灵活性。通过连续补偿监测，优化总体性能。此外，数字远端控制功能使得设计平衡与折衷更简单、直接。