Zasilanie systemów telekomunikacyjnych napięciami -48V i +24V

Choć nominalne napięcie zasilania systemu telekomunikacyjnego wynosi -48V, to w praktyce zawiera się w przedziale od -42 do -56V. Przetwornice DC- -DC muszą zatem działać od jeszcze niższego napięcia zasilania ze względu na konieczność uwzględnienia spadków napięcia w urządzeniach. Jak przedstawiono na rys. 1, minimum zwykle wynosi około -38V. Zazwyczaj system jest wyposażony w funkcję monitorowania napięcia wejściowego powodującą wyłączanie przetwornicy DC-DC w przypadku, gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej ustalonej wartości minimalnej. Za maksymalne napięcie przyjmuje się -60V przy uwzględnieniu przepięć do nawet -100V. Co więcej, w niektórych systemach zamiast -48V stosuje się nominalne napięcie -60V. Pomimo że tego typu rozwiązania są stosowane niezbyt często, większość producentów woli wytwarzać jeden typ urządzeń, mogących działać przy -48V i przy -60V. Wiąże się to z podniesieniem maksymalnego napięcia dla przetwornic DC-DC do -72V. Powszechnie dostępne przetwornice są najczęściej przeznaczone do pracy w zakresie napięć wejściowych 2:1, od 36 do 72V (czasem od 36 do 75V).

Systemy o nominalnym napięciu zasilania +24V

W niektórych zastosowaniach, zwłaszcza w stacjach bazowych telefonii komórkowej, zamiast -48V używa się napięcia zasilającego +24V. Pozwala to na zasilanie wzmacniaczy mocy w.cz. bezpośrednio z akumulatorów, bez przetwornic DC-DC. Taka architektura pozwala uprościć konstrukcję, zwiększyć sprawność energetyczną i zmniejszyć koszty. Zakres napięć wyjściowych dla akumulatora 24V wynosi od 21 do 30V, a minimalne napięcie przetwornicy DC-DC uwzględniające spadki napięcia to około 19V. Jeśli więc przyjąć próg zabezpieczenia przed zbyt niskim napięciem zasilania na poziomie 18,5V ±0,5V, minimalnym napięciem pracy przetwornicy będzie 18V. Większość przetwornic DC-DC dla tego zakresu charakteryzuje się zakresem napięć wejściowych od 18 do 36V. Trzeba tu zwrócić uwagę, że przy +24V spadki napięcia powinny być dwukrotnie mniejsze niż przy -48V (rys. 2). Można to osiągnąć umieszczając zasilacz w urządzeniu i starannie projektując obwody zasilania. Można również pominąć diodę, ponieważ rezerwowe zasilanie nie będzie potrzebne.

Podwojony zakres napięcia zasilania

Producenci urządzeń telekomunikacyjnych przystosowują je do pracy przy obu napięciach zasilania: -48V i +24V. Jednym ze stosowanych rozwiązań są przetwornice DC-DC typu 4:1, pracujące z napięciem wejściowym z zakresu od 18 do 72V. Produkcja takich przetwornic jest jednak trudniejsza, ich parametry są gorsze, a koszt znacznie większy niż w przypadku wersji 2:1. Współczynnik wypełnienia impulsów sterujących stopniem mocy w tego typu przetwornicy musi zmieniać się w zakresie 4:1, co wywołuje silne impulsy prądowe i zmniejsza sprawność. Elementy mocy są narażone na duże prądy i napięcia, co wymusza szereg kompromisów przy ich dobieraniu. Podobne wymagania dotyczą też innych komponentów wejściowych. Bezpieczniki, diody, ograniczniki i filtry muszą być przystosowane do dwukrotnie większego natężenia prądu niż w układach -48V, a równocześnie do napięcia -72V (-100V w szczycie). Również okablowanie musi być przystosowane do zwiększonego natężenia prądu. Dodatkową komplikacją jest biegunowość. Oczywiście daje się zaprojektować układy z opcjonalną biegunowością, ale wymagają one dodatkowych kompromisów i trudniej w ich przypadku spełnić wymagania formalne.

Wstępna przetwornica DC-DC

Rozwiązaniem, które pozwala wyeliminować niekorzystne kompromisy, jest projektowanie urządzeń na napięcie -48V, a w aplikacjach +24V stosowanie wstępnych przetwornic DC-DC. Schematy tego typu układów przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Ich wadą jest nieco mniejsza sprawność wynikająca z podwójnego przetwarzania napięć. Strata sprawności całkowitej jest jednak częściowo rekompensowana zmniejszonym zakresem napięć wejściowych przetwornicy i wynikającą z tego większą sprawnością niż w przypadku zasilania napięciem -48V. Ponieważ wstępna przetwornica DC-DC zapewnia izolację, znikają wszelkie kłopoty związane ze zmianą biegunowości. W systemach -48V wstępne przetwornice DC-DC nie są potrzebne. W rezultacie całkowita sprawność układu zasilania nie zmniejsza się oraz nie zwiększają się koszty. Natomiast stosowanie szerokozakresowych przetwornic DC-DC na każdej płytce wiąże się z pogorszeniem parametrów i zwiększeniem kosztów zarówno w aplikacjach -48V, jak i +24V.

Podsumowanie

Stosowanie wstępnych przetwornic DC-DC pozwala w prosty sposób rozwiązać trudności związane z dwoma napięciami zasilania. Umożliwia stosowanie urządzeń o zasilaniu -48V w stacjach zasilanych napięciem +24V, eliminując kłopoty związane z biegunowością. Pozwala to uniknąć konieczności stosowania szerokozakresowych przetwornic DC-DC i zachować dobre parametry obwodów wejściowych. (KKP)