射频拉远单元(RRU) 供电解决方案分享-电路方案

前言: Vicor公司设计、制造和销售模块化功率元件，这些电源转换解决方案产品广泛应用于航空航天、高性能计算机、工业设备和自动化、电信、网络基础设施，以及车辆和运输领域。在现有的无线网络实际建设中，我们已突现一些难点，如城市居民区选址困难、现有的机房内设备拥挤、乡村及边远山区的大面积覆盖投资过于巨大等问题。电信设备供应商提出的分布式基站解决方案能够为运营商提供一流的低成本快速建网解决方案。分布式基站由射频拉远单元RRU（Radio Remote Unit）和基带处理单元BBU（Base Band Unit）组成。RRU与BBU分别承担基站的射频处理部分和基带处理部分，各自独立安装，分开放置，通过电接口或光接口相连接，形成分布式基站形态。而射频拉远单元(RRU)又分为 4 个大模块:中频模块、收发信机模块、功放和滤波模块。2G/3G的RRU中的PA功放电路主要由LDMOS构成，由于硅基GaN的效率大大提升，已经具备取代LDMOS的大部分市场潜力。GaN(氮化镓)，也称为宽带隙半导体。100W时，效率超过70%，19dB增益;效率比LDMOS高出10%;功率密度为LDMOS的4倍，预期成本结构低于LDMOS而受市场热捧。 图:RRU使用介绍 但是由LDMOS的28V总线架构向48V总线升级的过程中也带来了问题，即由28V总线提高电压到50V来给处理板直接供电给设计师带来空前的挑战。 传统的硬开关高压输入情况下其缺点无法弥补，制约传统硬开关的电路的因素为: 1.硬开关 –现今, 大多数非隔离降压稳压器拓扑的开关损耗都很大. 原因是在导通和关断期间, MOSFET 同时抵受高电流和高电压应力.当开关频率与输入电压增高时,这些损耗同时增大, 局限了其可以达到的最高工作频率，效率和功率密度 2.栅极驱动损耗 –由于栅极驱动电路内的米勒电荷的功耗较高, 导至硬开关拓扑结构的栅极驱动损耗也较高 3.体二极管传导 – 当高电平端 MOSFET 导通和关闭时, 高脉动电流通过低电平端MOSFET 本身的体二极管。体二极管导通的时间越长，反向恢复损耗和体二极管传导损耗便愈高。体二极管传导也会造成破坏性的过冲和振铃。 而Vicor 的零电压开关转换器降压电路改进了这些缺点: 1.零电压开关（ZVS）的开关损耗很低 2.理想的整流开关, 体二极管传导时间极短, 几乎不被察觉 3.高输入电压仍保持高频率操作 4.内部补偿简单的, 允许高带宽，增益和相位裕度 5.由于输出电感细小，高开关频率和宽带宽反馈环路, 只需细小输出电容, 瞬态响应非常快速 6.导通时间最短20ns, 支持36:1 的高比率转换 7.高效率偏压系统结合脉冲留白, 令轻载效率非常出色。 我们通过开关电路的开关状态的切换来对比Vicor的ZVS降压电路与传统硬开关电路的区别: 图:ZVS Buck 与传统硬开关转换器的对比 我们先学习过RRU的典型电路。 传统RRU电路有如下几个功能模块， 基带处理、中频、收发以及功放和天馈。GaN 的应用产生新的+50V （30V~50V），传统的5V4 不能再由28V 直接供电，如果5V4 是12V降压下来就需要使用48V—12V的电源砖3次转换到负载点，我们折衷的改进方法是采用传统48V 隔离的电源砖实现48V 到5V4 的主板供电， 这样减少一极转换，提高整版电路的效率和可靠性，降低板上的面积和成本。 图:RRU 典型供电电路 由交流或者-48V输入转换产生48V（28V）/12V。而新型的RRU 设计包含+48V， 相对12V 总线而言，+48V 的优势是高压直流，其总线电流为原来12V总线的1/4 ，在相同的阻抗条件下的铜损为1/16，大大降低总线的导通损耗，同时高压总线的电容容量可以也有显著的降低。如果48V 直接转换到5.5V就容易进行2次电源（48V---12V----5.5V）的转换，这样可以减少在板的电源级数提高产品的可靠性。 图:48V 到PoL的电源链的改进 PI33/PI34/PI35xx Cool-Power:registered: ZVS降压稳压器为板级设计师提供最大功率密度，同时为高效负载点DC-DC稳压提供最大灵活性。高性能零电压开关（ZVS）拓扑结构的集成增加了负载点性能，提供了达98%的最佳功率效率。Cool-Power ZVS稳压器在一个高密度LGA系统级封装（SiP）中高度集成了控制电路、功率半导体和支持元件。在这里，Vicor 利用新型的高压零电压降压转换以及零电压升-降压实现48V 到负载点的直接转换。通过PI354x 和PI352x实现48V 单级转换到基带信号板的5V4 ，实现48V 转13.2V 给天馈供电。同时Vicor的特有的ZVS升降压转换实现21-60V 输入范围内28V/50V 可调输出。所