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VICOR기반의 소형 기지국용 48V Bus PoL 전원 강압 솔루션

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글/민 마오(Min Mao), 바이코 코퍼레이션

개요

소형 기지국의 전력밀도의 요구 사항이 증가하면서 이를 위한 전원 설계 과제는 새로운 도전에 직면하고 있다. 전원부 효율 및 동작 주파수 개선 및 효율적인 방열 설계의 향상만으로는 날로 높아지는 현재 소형 기지국의 기술적 요구를 만족시킬 수 없으므로 전반적인 전원공급 아키텍처에 대한 혁신만이 전력 밀도 요구 사항을 근본적으로 해결할 방안이다.
전체 시스템 체적을 빠르게 줄일 수 있는 가장 효과적인 방법은 기존 48V → 12V→ PoL(ex, 5V) 전원구조에서 12V버스 전원을 제거하여 48V를 PoL 전원으로 직접 강압 처리하여 사용하는 것이다. VICOR는 고객이 제품 사이즈를 쉽게 줄여서 신뢰성이 높은 전원 공급기 설계와 효과적으로 비용을 절감할 수 있도록 48V Input to PoL 응용 회로용 고효율 ZVS(제로 전압 스위칭) 벅 컨버터를 제공한다.

서론

어려운 부지선정 및 많은 비용 투입 등 문제로 인해 향후 LTE배치 과제의 가장 큰 문제는 매크로셀의 부지 선정이라고 할 수 있다. 특히 도시화가 빠르게 진행된 대도시일 수록 더욱 그렇다. 현재 도시 사각지대 커버, 데이터 처리량 향상, 고객 체험 개선 등 문제를 해결할 수 있는 가장 효과적인 방법은 소형 기지국을 도입하는 것이다.
건물 디자인의 수요에 따라 기지국의 부피도 계속해서 줄어들고 있으므로 전원 공급기기 역시 효율, 주파수, 방열 등에서 꾸준하게 개선되는 추세이다. 현재 기술 수준을 통한 전원 부피 축소는 이미 한계에 이르렀으므로 전원공급 아키텍처에 대한 효과적인 개선만이 향후 부피 축소의 유일한 방법이라고 할 수 있다.
12V 버스 전원을 없애고 48V 전원을 강압 처리한 후 직접 단말기에 전원을 공급함으로써 전압 전환 공간 축소를 통해 부피를 축소하는 것은 가장 효과적인 방법이다. 소형 기지국의 핵심 전원은 RRU 기반의 5V/50W와 BTS에 필요한 5V/50W이다.
VICOR의 PI354X 시리즈의 ZVS(제로전압스위칭)벅 컨버터는 48V 를 2.5V, 3.3V, 5V, 12V로 직접 강압 처리(10A, 최대 출력 전류）가 가능한 고집적도(집적 상측/하측 스위칭 소자 포함), 고효율(93% 이상의 최대 효율, 48V → 5V 강압 조건), 소형 패키지 솔루션(10 x 10mm) 등의 장점을 통합한 솔루션이다.

기존 소형 기지국의 전원 구성

그림 1은 기존 소형 기지국의 전원 아키텍처를 나타낸다. 여기에서 파란색으로 표시된 것은 12V, 즉 버스 전원 공급선이지만 직접 단말기에 전원을 공급하지는 않는다. 48V를 12V로 전환하는데 약 10평방 센티미터에 달하는 PCB면적를 차지하며 방열시스템까지 더해지게 되면 부피는 더 커진다.
이미 여러 차례 최적화 된 셋톱 박스 크기의 소형 기지국 제품을 추가로 더 작게 축소하는 것은 매우 어려운 일이다. 이런 상황에서 공간을 축소하는 유일한 방법은 중간 단계인 12V 버스선을 없애고 48V에서 5V로 직접 전환하는 것이다. 그러나 48V를 직접 5V로 전환하기 위해서는 다음과 같은 문제를 해결해야 한다.
Ⓐ 낮은 전력 변환 효율(일반적으로 88% 미만)
Ⓑ 낮은 스위칭 주파수(일반적으로 500kHz 미만）
Ⓒ 인덕터의 부피
기존의 동기식 정류 강압기(Synchronous rectifier buck converter)의 구조에서는 부피 축소가 매우 어려울 뿐만 아니라 낮은 전력 효율로 인한 방열문제와 시스템 안정성 저하 등의 문제가 발생한다. 따라서, 기존의 전원 아키텍처는 2단계의 전압 강압 방식, 즉 48V에서 12V로 전환 후 12V에서 5V로 전환하는 방식을 이용할 수 밖에 없기 때문에 소형 기지국의 부피 축소는 거의 불가능한 상황이다.
그림 2는 48V에서 5V로 전환되는 VICOR의 전원 아키텍처를 나타낸다. 고효율 ZVS 스위칭 방식을 통해 12V 버스 전원 구성의 필요 없이 BTS와 RRU의 전원공급을 실현했으며 PCB의 부피를 4평방 센티미터로 축소했다.
다음은 VICOR의 48V Input to 5V 강압기가 갖는 장점들을 기존의 동기 정류 강압기와의 비교를 통해 분석해보려 한다...(중략)