1000W电信电源：5G边缘计算与小型基站的高效解决方案

前言

在5G技术蓬勃发展的今天，边缘计算和小型基站的应用越来越广泛。这些应用对电源的要求也越来越高，需要高效、紧凑、可靠的电源解决方案。英飞凌的REF_1KW_PSU_5G_GaN参考板正是为满足这些需求而设计的，它采用了CoolGaN™ 600 V和CoolMOS™ 600 V CDF7等先进技术，为5G边缘计算和小型基站提供了一款出色的1000W电信电源解决方案。

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1. 边缘计算与电源需求

1.1 边缘计算概述

边缘计算是一种分布式开放平台，它将计算、存储和应用等网络核心能力集成在一起，在靠近设备、终端或数据源的网络边缘提供智能服务。与传统的云计算不同，边缘计算直接在数据产生的设备或其附近对数据进行分析，无需每次都将数据传输到云端数据处理中心，从而实现了“实时”数据处理和更快的响应速度，非常适合支持物联网（IoT）架构。

典型的边缘计算架构包括终端、边缘计算节点、网络节点和云计算节点。终端层由各种物联网设备组成，负责收集和报告原始数据；边缘计算节点在网络边缘部署和分配计算与存储能力，以响应基本服务；网络节点将边缘计算节点获得的有用数据上传到云计算节点进行分析和处理；云计算节点则永久存储边缘计算层报告的数据。

1.2 边缘计算对电源的要求

边缘计算通常通过高度可扩展和紧凑的微型数据中心来部署，其功率需求从“鞋盒式”的≤1kW到集装箱式的高达500kW不等。在最近的信号塔安装中，边缘系统通常包括一个IP65防护等级的外壳，可以安装在电信无线接入网（RAN）塔、建筑物或照明基础设施上，类似于最新一代的5G户外小型基站。

由于边缘计算设备的广泛部署，无论是在偏远地区还是人口密集地区，对电源的要求都非常严格。首先，电源需要具有紧凑和轻薄的外形，以适应有限的空间。其次，效率必须高，因为无处不在的微型数据中心安装意味着无论是在偏远地区还是人口密集地区，电能成本都不低。此外，由于广泛的安装，微型数据中心的维护成本是运营商公司运营费用的重要组成部分。因此，大量使用对流冷却可以减少维护需求（无需更换风扇和过滤器）。一般来说，即使在IP65防护等级的外壳内，户外操作也对电源的环境条件有一定要求，电源需要在较宽的交流输入电压范围（通常为85 - 305V AC）和环境温度范围（-40°C / +85°C）下运行。因此，散热和热管理是开关电源设计的关键方面。综上所述，户外边缘服务器的电源必须满足电信整流器的大多数典型要求，如符合Telcordia GR - 3108和GR - 487等标准。

2. REF_1KW_PSU_5G_GaN参考板介绍

2.1 设计概述

REF_1KW_PSU_5G_GaN参考板是英飞凌为满足5G边缘计算和小型基站的电源需求而设计的一款完整系统解决方案。该电源供应单元（PSU）由两个转换器组成：一个交错式图腾柱功率因数校正（PFC）转换器和一个DC - DC隔离半桥（HB）LLC转换器。前端转换器采用交错式图腾柱拓扑，提供功率因数校正（PFC）和总谐波失真（THD）控制，以实现高效率；后端转换器是一个DC - DC隔离半桥LLC转换器，提供安全隔离和稳定的12V DC输出电压。

2.2 主要特点

• 紧凑设计：整体尺寸为150 mm x 80 mm x 27 mm，功率密度达到50 W/in³，非常适合空间受限的应用场景。
• 高效率：在230 V AC输入时，从额定负载的45%以上效率达到96%以上；在115 V AC输入时，从额定负载的35%以上效率达到95%以上，最高峰值效率分别为96.32%（230 V AC）和95.5%（115 V AC）。
• 无风扇设计：可以选择将参考板安装在散热器上，通过对流冷却，减少了维护需求。
• 全数字控制：采用英飞凌的XMC™ MCU实现全数字控制，提高了系统的灵活性和可靠性。
• 高可靠性：在不同的异常条件下，如负载突变和启动时的浪涌电流，都能保持稳定可靠的运行。此外，使用CoolMOS™ S7 MOSFET替代继电器，提高了系统的稳定性和寿命。

2.3 主要组件

REF_1KW_PSU_5G_GaN参考板使用了多种英飞凌的组件，包括：

• CoolGaN™ 600 V：在PFC高频功率晶体管中使用了IGT60R070D1，具有低导通电阻和快速开关速度的特点。
• CoolMOS™ 600 V：在PFC线路整流MOSFET中使用了IPT60R022S7，在DC - DC初级侧半桥中使用了IPT60R055CFD7，这些MOSFET具有低导通损耗和高耐压能力。
• OptiMOS™ 6 40 V：在DC - DC次级侧桥中使用了BSC009N04LSSC，具有低导通电阻和良好的开关性能。
• EiceDRIVER™ 系列：包括1EDF5673K、1EDN8550B、1EDB8275F、1EDN8511B、2EDS8265H和1EDN7511B等门驱动器，用于驱动不同的功率器件。
• XMC™ MCU：XMC4200用于PFC控制实现，XMC4402用于DC - DC控制实现。
• ICE2QR2280G：用于偏置电源实现的开关控制器。

3. 系统描述

3.1 电路结构

REF_1KW_PSU_5G_GaN参考板的电源供应单元由前端的AC - DC无桥交错式图腾柱转换器和后端的DC - DC隔离LLC转换器组成。前端转换器提供功率因数校正和总谐波失真控制，后端转换器提供安全隔离和稳定的12V DC输出电压。

交错式图腾柱AC - DC转换器的控制由基于英飞凌XMC4200 MCU的专用控制卡PCB实现，该控制卡包括PFC、THD、电压调节、输入过流保护（OCP）、过压保护（OVP）、欠压保护（UVP）和启动控制等功能。为了提高功率密度，标准的浪涌电流继电器被CoolMOS™ S7 MOSFET取代，该MOSFET放置在直流母线电容PCB上。PFC在连续导通模式（CCM）下运行，开关频率为65 kHz，大容量电容的设计满足了满载时10 ms的保持时间要求。

LLC转换器的控制由基于英飞凌XMC4400 MCU的另一个专用控制卡PCB实现，该控制卡包括带扩展消隐时间的开环/过载保护、两级OCP（频率偏移和锁存关闭）、带可调滞后的市电输入UVP、高精度的可调最小开关频率、内置数字和非线性软启动以及突发模式操作等功能。

3.2 器件布局

参考板的布局经过精心设计，以优化性能和散热。AC连接器位于最左侧，旁边是单级EMI滤波器。滤波器上方，两个PFC扼流圈战略性地放置在PCB切口处，以便通过热界面材料与金属基板进行热连接。LLC主变压器也采用了类似的放置和热管理技术，位于PSU板的中右侧。

在板的中间，安装了一个子卡，包含大容量电容器、NTC和静态开关。这种紧凑的布置旨在优化空间利用，提高PSU的整体效率。最后，PSU两级的主开关和所有驱动器都位于主PCB的顶层。此外，偏置电源电路和两个控制器都在一个子卡中实现，确保所有关键组件都经过精心布局，以实现最佳性能并减少热问题。

3.3 信号调理

在交错式PFC中，采用了CCM平均电流模式控制和占空比前馈（DFF）。与传统的PFC不同，在无桥图腾柱PFC转换器中，电感电流有正有负。此外，如果控制地位于大容量电压的负轨上，测量电感电流时需要隔离或共模抑制。因此，霍尔效应传感器是这种系统的一个很好的解决方案。

霍尔效应传感器的输出与模数转换器（ADC）的输入非常匹配，当使用相同的电压供电时，可以测量正负电流，并且零电流时偏移到ADC范围的一半。如果选择具有适当带宽的传感器，还可以检测高频纹波，并且该信号可用于峰值电流限制。在带宽较低的情况下，霍尔效应传感器通常提供过流检测信号，可用于相同目的。

由于控制参考位置的原因，大容量电压检测非常简单，只需使用电阻分压器即可。在交流电压检测方面，为了避免在交流过零期间没有电流流入PFC时出现问题，同时检测两条线相对于地的电压，然后将它们相加。由于总交流检测信号是整流的，比较两条线和中性线的检测电压可以得到极性信号。

3.4 效率分析

3.4.1 交错式图腾柱PFC效率

交错式PFC转换器在115 V和230 V AC RMS输入下运行，开关频率为65 kHz。图8显示了PFC的估计设计效率（蓝色曲线）和实际测量效率（红色曲线）在230 V AC输入时的比较。数据表明，在满载条件下两者非常接近，但在轻载和中载条件下存在一些差异。尽管存在这些差异，估计结果仍然为PFC在整个负载范围内的行为提供了有价值的见解。需要注意的是，PFC单元在接近1000 W的输出功率时表现出高达99%的高峰值效率。

图9展示了PFC在不同工作点下各种器件的损耗分布。条形图显示，大部分损耗集中在主PFC电感上。

3.4.2 LLC转换器效率

LLC转换器在400 V输入和12 V输出下，开关频率范围为90 kHz至135 kHz。谐振槽的值为132 nF的谐振电容和15 µH的谐振电感，等效谐振频率为113 kHz。

图20显示了LLC的估计效率（橙色曲线）和实际测量效率（黄色曲线）的比较。数据表明，在中载时两者非常接近，但在轻载和满载条件下存在一些差异。尽管存在这些差异，该工具仍然为LLC转换器在整个负载范围内的行为提供了全面的理解。值得一提的是，LLC转换器在额定负载的50%条件下表现出接近97.3%的高峰值效率。

3.5 磁元件设计

3.5.1 PFC磁元件

在双升压AC - DC转换器的设计中，主要的损耗来源之一是主电感和EMI滤波器。PFC扼流圈的设计基于环形高性能磁粉芯，环形扼流圈具有较大的表面积，能够在芯损耗和绕组损耗之间取得良好的平衡，实现均匀的热分布，没有热点。因此，它们适用于追求最高功率密度的系统，可以实现非常小的扼流圈尺寸。选择的芯材料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损耗特性。芯的外径为27 mm，高度为19 mm。绕组采用漆包AWG 18（直径1.1 mm）铜线，大约覆盖两层。这种布置可以实现良好的铜填充系数，同时具有良好的交流特性，是高功率环形电感的首选填充形式。共有90匝，利用了允许的高直流偏置。最终的小信号偏置电感为1 mH，有效电感随电流偏置由芯材料的B - H特性决定。

3.5.2 LLC磁元件

LLC串并联谐振转换器的谐振槽由两个等效电感和一个等效电容组成。这种拓扑的一个优点是可以通过主变压器的泄漏实现串联谐振电感（Lr），通过主变压器的磁化电感实现并联谐振电感（Lm）。然而，完全集成的方法会限制设计并影响转换器的性能。因此，在LLC中，串联电感（Lr）被实现为分立组件，尽管Lr集成在主变压器的同一磁结构中。

谐振电感（Lr）采用Ferroxcube的3C95 PQ38/8/25芯构建，而主变压器由两块相同的芯和材料构建。Lr堆叠在主变压器的顶部，并与初级侧绕组同向缠绕。这样，部分体积内的磁通被有效抵消，总芯损耗部分降低。

主变压器的匝数比为16:1，初级绕组分布在四个PCB上，旨在最小化等效串联电阻（ESR）并优化效率。在次级侧，12个交错的铜板以中心抽头模式排列，具有两个特定目的：适应高循环电流和最小化损耗，同时增强散热。此外，Lr的绕组采用利兹线构建，由512股直径为0.05 mm的线组成。

由于PSU的高度限制（27 mm），主电路板被切割以适应集成的Lr和主变压器结构的高度（约25 mm）。这种切割同时有助于热管理，通过热界面使磁芯与铝板直接热连接。

3.6 驱动电路

3.6.1 交错式图腾柱PFC中CoolGaN™和CoolMOS™的驱动

为了确保PFC转换器的正常运行，驱动级起着关键作用。根据CoolGaN™器件的推荐驱动电压，采用了8 V/0 V的单极性驱动电压。偏置电源最初由12 V输出反激式转换器通过1EDB8511B门驱动器作为振荡器和变压器创建隔离，转换为8 V。

由于氮化镓（GaN）MOSFET需要稳态“导通”电流和负“关断”电压，不能像传统MOSFET那样驱动。因此，选择了图12所示的解决方案，将1EDF5673K门驱动器和无源RC电路相结合，在稳态“导通”状态下提供一定量的电流，并在关断时提供负电压，以确保CoolGaN™的正确开关。这种方法既简单又经济高效，是一种优秀的实现方案。

图13展示了1EDF5673K门驱动器的开关序列。示波器图像显示了应用于高端MOSFET的Vgs的序列。在不同的时间段内，驱动器对高端和低端MOSFET进行不同的操作，以确保正确的开关和减少损耗。

对于CoolMOS™ MOSFET的驱动，采用了混合驱动方法，即隔离的高端开关和非隔离的低端开关。此外，对于四个以50 Hz开关的CoolMOS™ MOSFET同步整流腿，采用了自举方法以降低成本。在这种情况下，需要适当的电容尺寸来确保放电并避免触发驱动器的UVLO阈值。

3.6.2 LLC转换器中CoolMOS™的驱动

LLC转换器的初级侧采用了两个TOLL封装的CoolMOS™ 55 mΩ器件（CoolMOS™ IPT60R055CFD7）。由于XMC4400 MCU的地与LLC转换器的次级侧相关，为了控制LLC半桥并确保初级和次级侧之间的隔离，使用了EiceDRIVER™ 2EDB8265H驱动器，如图25所示。

3.7 稳态运行实验结果

3.7.1 交错式PFC稳态运行

图15和图16分别显示了PFC在115 V AC和230 V AC、50 Hz、标称负载条件下的主要稳态波形。这些波形展示了交错式图腾柱PFC在稳态条件下的行为，包括交流输入电压、输入电流、两个PFC扼流圈中的电感电流以及大容量电压等。图17显示了交错式PFC对交流输入电流的好处，通过交错操作可以减少输入电流的纹波。

图18显示了交错式PFC在低线和高线条件下的效率结果。在接近1000 W的输出功率时，效率峰值达到98.86%；在115 V AC时，效率在约500 W时达到峰值98.01%。

3.7.2 LLC转换器稳态运行

图26和图27分别显示了LLC转换器在50%和100%负载条件下的初级侧稳态波形，包括谐振电流波形、半桥低端MOSFET的漏源电压以及半桥MOSFET的栅源电压。这些波形直观地展示了LLC在不同负载条件下的稳态运行行为。

图28和图29从次级侧的角度展示了LLC转换器在100%和50%负载下的稳态性能。可以看出，同步次级MOSFET的漏源电压的最大峰值始终低于27 V。

图30显示了LLC转换器在400 V输入电压下的效率测量结果。在接近600 W的输出功率时，LLC效率达到了近97.35%的出色峰值。

4. 完整电源供应单元性能

4.1 效率

完整电源供应单元的效率在满载条件下运行60分钟后进行测量。图31显示了115 V和230 V AC RMS输入、12 V DC输出时的效率结果以及效率目标。在高线输入电压下，REF_1KW_PSU_5G_GaN参考板在230 V AC、