Проектирование источников питания для 5G и телекоммуникационной инфраструктуры

Быстрое глобальное расширение технологии 5G предъявляет беспрецедентные требования к телекоммуникационной инфраструктуре, особенно к источникам питания, которые поддерживают работу базовых станций, небольших ячеек и центров обработки данных. В отличие от предыдущих поколений, сети 5G требуют более высокой пропускной способности данных, меньшей задержки и более плотного развертывания радиоблоков, что увеличивает как общее потребление энергии, так и потребность в системах доставки энергии, которые являются исключительно надежными, эффективными и компактными. Проектирование источников питания для этой среды выходит за рамки простого преобразования сети переменного тока в DC; это включает в себя создание полной цепочки питания, которая может выдерживать суровые условия окружающей среды, поддерживать масштабируемость и интегрировать с возобновляемыми источниками энергии. В этой статье рассматриваются основополагающие соображения, инженерные проблемы и новые технологии, которые определяют современный дизайн источника питания для 5G и телекоммуникационной инфраструктуры.

Фундаментальная архитектура мощности для телекоммуникационных сетей

Телекоммуникационные системы питания традиционно используют централизованную архитектуру, где шина постоянного тока -48 В питает все оборудование на площадке. Развертывания 5G, однако, часто требуют распределенных архитектур, которые приближают преобразование мощности к нагрузке, особенно в удаленных радио головках (RRH) и небольших ячейках. Понимание основных строительных блоков телекоммуникационного источника питания имеет важное значение, прежде чем решать конкретные ограничения 5G.

Конверсия AC/DC и коррекция коэффициента мощности

Первый этап в большинстве источников питания телекоммуникаций - выпрямитель переменного тока / постоянного тока, который преобразует служебный переменный ток (обычно 110-240 В, 50/60 Гц) в высоковольтную шину постоянного тока, обычно 380 В или 48 В. Современные выпрямители включают активную коррекцию коэффициента мощности (PFC) для достижения коэффициента мощности более 0,95, уменьшая гармонические искажения и соблюдая стандарты, такие как IEC 61000-3-2. Для сайтов 5G, которые рисуют более высокие пиковые токи - особенно во время всплесков данных - схемы PFC должны быть разработаны для широких диапазонов входного напряжения и быстрого переходного ответа. Топологии, такие как интерливентные преобразователи повышения с GaN FETs, позволяют более высокие частоты переключения, меньшие магниты и улучшенную эффективность по сравнению с традиционными конструкциями на основе кремния.

Конверсия DC/DC и автобусные конструкции

После исправления преобразователи постоянного тока/установки постоянного тока регулируют напряжение до уровней, требуемых чувствительными телекоммуникационными нагрузками. Номинальная шина -48 В остается распространенной в центральных офисах, но удаленные блоки 5G часто работают на уровне 24 В или 12 В внутри. Архитектура промежуточных шин (IBA) с использованием нерегулируемых или полурегулируемых шинных преобразователей становится все более популярной, поскольку они изолируют вход и обеспечивают стабильное промежуточное напряжение (например, 12 В) для регуляторов точки загрузки (POL) ниже по течению. Эти преобразователи POL должны обеспечивать чрезвычайно жесткое регулирование напряжения и низкую пульсацию для питания высокоскоростной цифровой логики, FPGA и усилителей мощности RF. Дизайнеры часто используют многофазные бакс-преобразователи с цифровыми контурами управления для удовлетворения требований к динамической нагрузке обработки сигнала 5G.

Резервное копирование Power and Battery Management

Телекоммуникационные сети не могут переносить простои, даже при кратковременных сбоях в работе коммунальных служб. Резервная мощность обычно обеспечивается аккумуляторами с регулируемым клапаном свинцово-кислотным (VRLA) аккумулятором или, все чаще, литий-ионными (Li-FePO4) аккумуляторными батареями. Источник питания должен включать интеллектуальные схемы зарядки аккумулятора, которые поддерживают профили постоянного тока / постоянного напряжения, температурную компенсацию и мониторинг состояния заряда. Для небольших ячеек 5G, установленных на столбах или крышах, ограничения пространства приводят к принятию компактных, горячих сменных модулей батареи. Передовые системы управления батареями (BMS) взаимодействуют с сетевым операционным центром для планирования обслуживания и прогнозирования конца срока службы. Некоторые конструкции также включают ультраконденсаторы вместе с батареями для обработки высокопроизводительных разрывов, типичных для передач 5G, продления срока службы батареи и снижения стоимости системы.

Ключевые требования к производительности

Каждый телекоммуникационный источник питания должен соответствовать строгому набору показателей производительности, которые обеспечивают бесперебойное обслуживание в широком диапазоне условий эксплуатации. Следующие наиболее важны для инфраструктуры 5G.

Надежность и доступность

Ожидается, что источники питания для телекоммуникаций будут работать без остановки в течение многих лет со средним временем между отказом (MTBF), превышающим 500 000 часов в типичных условиях. Для достижения этого требуется тщательное выдерживание компонентов, строгое управление температурой и использование высококачественных электролитических конденсаторов, рассчитанных на длительный срок службы при повышенных температурах. Избыточность встроена в архитектуру: модули выпрямителя N + 1 являются стандартными, и многие системы используют двойные независимые источники питания для радиооборудования. Для 5G, где одна базовая станция может обслуживать тысячи абонентов, даже минуты простоя могут привести к значительному ухудшению обслуживания. Проекты также должны включать возможности горячей замены, чтобы неисправные модули можно было заменить без питания системы.

Эффективность и термоменеджмент

Высокая эффективность преобразования непосредственно снижает как эксплуатационные расходы, так и нагрузку на системы охлаждения. Сегодня выпрямители связи достигают эффективности выше 96% при полной нагрузке, а оборудование 5G часто требует еще более высокой пиковой эффективности при более легких нагрузках из-за переменных моделей трафика. Такие методы, как транзисторы нитрида галлия (GaN), плоские магниты и топологии переключения с нулевым напряжением (ZVS), помогают минимизировать потери. Однако даже небольшие неэффективности производят тепло, которое должно рассеиваться. Для наружных шкафов предпочтительно пассивное охлаждение через плавные радиаторы и естественную конвекцию, чтобы избежать отказов вентиляторов. В помещениях или развертываниях высокой плотности может потребоваться принудительное воздушное или жидкое охлаждение. Тепловое моделирование на этапе проектирования имеет решающее значение для выявления горячих точек и обеспечения того, чтобы температуры соединения силовых полупроводников оставались в безопасных пределах.

Плотность и миниатюризация мощности

Инфраструктура 5G, особенно небольшие ячейки и массивные антенны MIMO, оставляет очень мало физического пространства для источников питания. Стеллажи базовых станций выжимают больше вычислительной мощности в тот же объем, а наружные корпуса имеют фиксированные размеры. Поэтому разработчики питания должны стремиться к более высокой плотности мощности - измеряемой в ваттах на кубический дюйм (W / In3). Использование более высоких частот переключения (500 кГц на несколько МГц) позволяет использовать более мелкие трансформаторы и индукторы. Широкий диапазон полупроводников (GaN, SiC) переключается быстрее, чем кремниевые MOSFET с более низкими потерями, что позволяет более плотные конструкции. Расширенная упаковка, такая как встроенные пассивные или 3D силовые модули, еще больше уменьшает площадь. Цель состоит в том, чтобы интегрировать всю цепочку питания, включая PFC, изоляцию и несколько выходов, в один компактный блок, который может быть размещен непосредственно за радио.

Соблюдение нормативных требований

Электрооборудование телекоммуникаций должно соответствовать различным стандартам для обеспечения безопасности, совместимости и электромагнитной совместимости. В Северной Америке системы сетевого оборудования GR-1089-CORE и GR-63-CORE определяют требования к электрической безопасности, защите от перенапряжения молнии и физической устойчивости. В Европе ETSI EN 300 132-3 определяет требования к интерфейсу для источников питания, подключенных к сетям постоянного тока. Кроме того, IEC 62368-1 (Аудио / видео, оборудование для информационных и коммуникационных технологий) все чаще принимается. Соблюдение этих стандартов требует надежной изоляции, защиты от перенапряжения, проводимой и излучаемой фильтрации EMI и тщательного тестирования. Дизайнеры должны взаимодействовать с органами сертификации на ранней стадии, чтобы избежать дорогостоящих перепроектов.

Проектирование вызовов и решений

Помимо показателей производительности, практические реалии развертывания телекоммуникационных сетей создают конкретные инженерные препятствия, которые необходимо преодолеть при проектировании электроснабжения.

Экологические крайности

Телекоммуникационное оборудование установлено везде от пустынных крыш до арктических башен. Поставки электроэнергии должны функционировать в широком диапазоне температур окружающей среды, часто от -40 ° C до +65 ° C, с высокой влажностью и воздействием солевого спрея в прибрежных районах. Конденсация внутри корпусов может вызывать коррозию и короткие замыкания. Решения включают конформное покрытие печатных плат, герметичные соединители и использование гидрофобных вентиляционных мембран. В холодном климате для обеспечения зарядки аккумуляторов или термостатически управляемых нагревателей может потребоваться обеспечить, чтобы батареи могли заряжаться. Для жарких условий обычное дело - снижение выходной мощности при повышенных температурах; конструкции должны соответственно указывать как непрерывную, так и краткосрочную пиковую мощность.

Переходный отклик и стабильность нагрузки

Радиосигналы 5G не являются непрерывными; они взрываются с высокой скоростью передачи данных, что приводит к быстрому изменению тока нагрузки на источник питания — иногда от 10% до 90% в микросекундах. Источник питания должен поддерживать выходное напряжение в течение нескольких процентов во время этих переходов, чтобы предотвратить повреждение данных или сброс цифровых схем. Это требует быстрого цикла управления с высокой пропускной способностью. Использование цифрового управления (DSP или FPGA-на основе) с прогнозирующими алгоритмами может улучшить переходную реакцию по сравнению с традиционной аналоговой компенсацией. Не менее важно адекватная выходная емкость в сочетании с тщательной компоновкой для минимизации паразитной индуктивности. Регулирование линии нагрузки — где выходное напряжение намеренно регулируется в зависимости от тока нагрузки — также может улучшить стабильность и уменьшить перерасход напряжения.

Электромагнитная интерференция (EMI)

Переключение источников питания по своей сути шумное, и высокочастотные переключающие края (рост скорости до 5 нс), используемые для эффективности, могут генерировать значительные проводные и излучаемые выбросы. Телекоммуникационные сети чувствительны к EMI, потому что они работают вблизи других беспроводных устройств. Источник питания должен соответствовать стандартам FCC Part 15 или CISPR 32. Смягчения включают в себя фильтры входной и выходной линий с удушьями общего режима, конденсаторы X- и Y-конденсаторы и хорошо экранированные корпуса. Крайне важно: минимизация области петли дорожек высокой скорости / дт и размещение конденсаторов разъединения близко к коммутационным устройствам. Некоторые передовые конструкции используют модуляцию с расширенным спектром для распространения спектра шума и снижения пиковых выбросов. Для наружных блоков защита от перенапряжения молнии (например, трубки разряда газа, MOV) также должна быть интегрирована без ущерба для производительности фильтра EMI.

Новые технологии и будущие тенденции

Индустрия электроснабжения быстро развивается, чтобы удовлетворить потребности 5G и за ее пределами. Несколько ключевых технологий формируют следующее поколение телекоммуникационных энергетических систем.

Широкий диапазон полупроводников (GaN и SiC)

Транзисторы нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC) заменяют традиционные кремниевые MOSFET и IGBT в источниках питания телекоммуникаций. Их способность переключаться на частотах выше 1 МГц с очень низкими потерями проводимости и переключения напрямую приводит к более высокой эффективности и плотности мощности. GaN FET особенно хорошо подходит для этапа преобразования 48 В до 12 В на базовых станциях, где их быстрое переключение уменьшает размер выходных индукторов и конденсаторов. Диоды SiC Schottky уже распространены на этапах PFC из-за их нулевого заряда обратного восстановления. Поскольку стоимость этих устройств продолжает падать, их принятие станет стандартным во всех новых конструкциях питания 5G. Подробный обзор приложений GaN в телекоммуникациях доступен из EETimes .

Цифровой контроль мощности и интеграция IoT

Цифровые контроллеры (MCU или FPGA-based) привносят программируемость, телеметрию и адаптивное управление в источники питания телекоммуникаций. Инженеры могут регулировать режимы работы, точки набора напряжения и частоту переключения на лету для оптимизации эффективности в различных условиях нагрузки. Интегрированные возможности IoT позволяют источнику питания сообщать о своих показателях здоровья - входном напряжении, выходном токе, температуре и журналах неисправностей - на центральную панель управления. Эта способность прогнозного обслуживания может уменьшить посещения на месте и предотвратить сбои, прежде чем они вызовут сбои. Например, если увеличение скорости вентилятора указывает на проблему с подшипником, сетевой оператор может запланировать замену модуля в непиковые часы. Протокол PMBus широко используется для связи между несколькими модулями питания и контроллером хоста.

Возобновляемая энергия и гибридные системы

Операторы связи испытывают давление, чтобы уменьшить свой углеродный след и эксплуатационные расходы. Интеграция солнечных панелей или небольших ветряных турбин непосредственно в архитектуру питания становится возможной. Типичная гибридная система использует максимальный преобразователь точки электропитания (MPPT) для извлечения энергии из возобновляемого источника, который затем сочетается с выходом выпрямителя для зарядки батарей и питания нагрузки. Когда сеть доступна, выпрямитель обрабатывает нагрузку; когда это не так, батарея и возобновляемый источник берут на себя. Этот подход может уменьшить время работы дизельного генератора на внесетевых объектах на 80% или более. Дизайнеры источников питания должны обеспечить плавный переход между источниками и надлежащее управление батареями для различных профилей зарядки. Блог IEC по интеллектуальным источникам питания для 5G обсуждает усилия по стандартизации для таких гибридных систем.

Продвинутые топологии: резонансные преобразователи и мягкий переключатель

Для дальнейшего повышения эффективности и снижения ЭМИ многие новые источники питания для телекоммуникаций используют резонансные преобразователи топологий, такие как резонансный преобразователь LLC для изоляции DC / DC. Эти преобразователи достигают переключения нулевого напряжения (ZVS) для первичных FET и переключения нулевого тока (ZCS) для вторичных диодов в широком диапазоне нагрузки. Результатом являются почти минимальные потери переключения и более низкая пульсация выходной волны. Более экзотические топологии, такие как CLLC или трехфазное переплетение LLC, изучаются для более высоких уровней мощности (несколько кВт), типичных для макро базовых станций. Управление резонансными преобразователями, однако, более сложно, потому что рабочая частота должна быть изменена с нагрузкой. Цифровое управление с точной частотной модуляцией имеет важное значение для поддержания состояния мягкого переключения во всем диапазоне нагрузки.

Заключение

Проектирование источников питания для инфраструктуры 5G и телекоммуникаций является многодисциплинарной задачей, которая уравновешивает электрические характеристики, механическую надежность, нормативное соответствие и стоимость. По мере расширения и уплотнения сетей энергетические системы должны развиваться, чтобы обеспечить более высокую эффективность, большую плотность мощности и более интеллектуальные возможности управления. Принятие полупроводников с широким диапазоном, цифровых циклов управления и интеграции возобновляемых источников энергии знаменует собой четкий путь вперед. Инженеры, которые осваивают эти технологии, позволят обеспечить следующее поколение подключения, гарантируя, что сети 5G останутся устойчивыми, устойчивыми и готовыми к требованиям завтрашнего дня. Для всеобъемлющей ссылки на соответствие NEBS, проконсультируйтесь с Ericsson по питанию базовых станций 5G [[FLT: 1]] и новейшие стандарты [[FLT: 2]]ETSI для телекоммуникационных энергетических систем.