5G基站電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)第二部分

脈沖電源是5G基站供電的解決方案嗎?

基礎(chǔ)設(shè)施 OEM 及其供應(yīng)商將“脈沖電源”視為一種潛在的解決方案。這種技術(shù)通過(guò)將基站置于“睡眠模式”來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本，而只有基本設(shè)備保持通電狀態(tài)。

脈沖功率利用 5G 基站分析流量負(fù)載的能力。在 4G 中，無(wú)線電總是打開(kāi)的，即使在流量水平不保證的情況下，例如在半夜傳輸參考信號(hào)以檢測(cè)用戶。相比之下，5G 基站可以分析流量，以確定流量低到足以進(jìn)入睡眠模式的時(shí)間。例如，睡眠模式可能會(huì)持續(xù) 5-100 毫秒。然后 5G 無(wú)線電將喚醒以查看范圍內(nèi)是否有任何活動(dòng)設(shè)備，確保網(wǎng)絡(luò)始終可用于 911 呼叫和時(shí)間敏感的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 流量。

基礎(chǔ)設(shè)施 OEM 正在分析脈沖功率的兩個(gè)方面：

· 這些電源循環(huán)如何影響 RRU 中 PSU 的整體壽命?RRU 的典型預(yù)期壽命約為 7-10 年。

· 當(dāng) PSU 處于靜止(睡眠)模式時(shí)，功耗可以降低多低?這是 PSU 不再為 PA 供電的時(shí)候，這是主要的電力消耗，但仍需要為其他電子設(shè)備供電。當(dāng)前的低負(fù)載效率目標(biāo)約為 30 W。一些 OEM 希望看到這一目標(biāo)降至接近 10 W。

基礎(chǔ)設(shè)施 OEM 正在努力確定在靜止期間支持無(wú)線電功能所需的最低功率。對(duì)于他們的 PSU 供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是在這個(gè)靜態(tài)期間最小化功耗。PSU 還必須準(zhǔn)備好立即啟動(dòng)，以便無(wú)線電可以立即恢復(fù)正常運(yùn)行，并且它必須以最小的電壓瞬態(tài)效應(yīng)提供此電源。

在靜止期間(通常為 5 毫秒至 100 毫秒)，PSU 必須將所有負(fù)載功率降至最低，同時(shí)天線單元的基本功能保持活動(dòng)狀態(tài)。每當(dāng)天線想要檢查其范圍內(nèi)的任何活動(dòng)用戶時(shí)，它還必須能夠提升到全功率。最后，PSU 必須能夠在靜態(tài)和正常電源模式之間反復(fù)切換，并且仍然保持其可靠性和生命周期規(guī)范。

將熱量和干擾降至最低

正在考慮的另一種設(shè)計(jì)是基于將 PSU 集成在 RRU 內(nèi)以減小 RRU 的尺寸和重量。在此架構(gòu)中，PSU 與 PA 共享散熱器。PA 的效率比 PSU 低得多，因此它們的熱量將散發(fā)到共享散熱器中，從而提高其溫度并降低 PSU 可用的冷卻能力。傳統(tǒng)上在 85?C 下運(yùn)行的 PSU 現(xiàn)在預(yù)計(jì)將承受 95?C 到 100?C，如果沒(méi)有補(bǔ)償設(shè)計(jì)和制造，可能會(huì)影響組件壽命和性能。

PSU 集成也增加了信號(hào)干擾的風(fēng)險(xiǎn)。與 PA 如此接近意味著 PSU 必須不受 PA 產(chǎn)生的電場(chǎng)的影響。PSU 產(chǎn)生自己的 E 場(chǎng)，必須保持足夠低，以免影響 PA 和其他 RRU 電子設(shè)備。

此外，它不得對(duì)無(wú)線電頻率造成無(wú)源互調(diào) (PIM) 干擾。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)通過(guò)不同材料的接頭時(shí)，可能會(huì)發(fā)生 PIM，并且可能會(huì)因電纜連接松動(dòng)、表面受污染、雙工器性能不佳和天線老化而發(fā)生。這些信號(hào)在同一頻帶內(nèi)混合產(chǎn)生和信號(hào)和差信號(hào)，從而造成干擾。精心設(shè)計(jì)和制造是確保 PSU 在其使用的 5-10 年內(nèi)不會(huì)造成 PIM 干擾的關(guān)鍵。

此外，為了減輕重量，原始設(shè)備制造商正在推動(dòng) PSU 在物理上更小，但提供相同或更高的輸出功率。這需要新的開(kāi)關(guān)技術(shù)，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，這些技術(shù)廣泛用于太陽(yáng)能系統(tǒng)逆變器和電動(dòng)汽車(chē)。采用這些技術(shù)設(shè)計(jì)的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 允許在更高的基板溫度下工作，并支持更高頻率的工作以實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。

PSU 也應(yīng)該是低調(diào)的，這意味著 PSU 上所有組件的高度應(yīng)保持在最大值，例如 22 mm，因?yàn)?PSU 將與其他組件夾在 AAU 中。仔細(xì)的元件選擇和布局是實(shí)現(xiàn)薄型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

緊湊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了靈活性

選址考慮也在推動(dòng) PA 和 PSU 設(shè)計(jì)發(fā)生變化。頻率越高，信號(hào)傳播的時(shí)間越短，這意味著與 4G 相比，基于毫米波的 5G 將需要更高密度的小基站。許多 5G 站點(diǎn)還需要靠近人們所在的街道。在市中心等密集城市地區(qū)，5G 網(wǎng)絡(luò)將依靠使用大規(guī)模 MIMO 天線的毫米波頻譜來(lái)提供千兆速度。

小型基站被部署在電線桿和路燈上，無(wú)線電和電纜的空間有限。同時(shí)，在傳統(tǒng)的 sub-6 GHz 頻率下運(yùn)行的宏站點(diǎn)也存在類(lèi)似的限制。例如，許多塔已經(jīng)被電纜堵塞，重量也會(huì)影響風(fēng)荷載，從而影響天線容量。

這些因素凸顯了運(yùn)營(yíng)商的 gNodeB 產(chǎn)品選擇如何直接影響獲得提供無(wú)縫覆蓋所需站點(diǎn)的能力，進(jìn)而影響其競(jìng)爭(zhēng)力。此外，原始設(shè)備制造商希望使 AAU 盡可能輕巧，以便一個(gè)人可以安裝它。

電纜是另一個(gè)重要因素。如今，多對(duì)低規(guī)格電纜用于為塔頂 RRU 提供 -48 V 電源，同時(shí)最大限度地減少它們的電壓降。除了昂貴之外，這些電纜也很重，如果運(yùn)營(yíng)商想要在已經(jīng)接近承重能力的站點(diǎn)上租用空間，這將是一個(gè)問(wèn)題。

此外，毫米波 5G 無(wú)線電必須放置在高于其他天線的位置，以最大限度地減少樹(shù)葉和其他障礙物的衰減。因此，移動(dòng)行業(yè)正在考慮遷移到更高的電壓來(lái)為這些天線分配電力。更高規(guī)格的電纜可用于分配 120 V 或 240 V AC，從而減少塔上的負(fù)載，同時(shí)最大限度地減少電壓降。這一變化還將降低購(gòu)買(mǎi)和安裝成本。

與脈沖功率一樣，這種變化需要了解更高的電壓將如何影響 PSU 設(shè)計(jì)和組件壽命。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商通常希望 PSU 的設(shè)計(jì)壽命約為 10 年。

一個(gè)復(fù)雜的因素是長(zhǎng)期缺乏合格的安裝人員——電信和電氣——這使得運(yùn)營(yíng)商難以快速建立 5G。蜂窩基站安裝人員習(xí)慣于處理 -48V DC。遷移到更高電壓需要不同的安全設(shè)備、流程和技能，這意味著合格安裝人員的選擇更加有限。勞動(dòng)力市場(chǎng)緊張也意味著更高的成本，因?yàn)樗鼈兛梢韵蜻\(yùn)營(yíng)商收取溢價(jià)。

歸根結(jié)底，5G 為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和為其提供移動(dòng)設(shè)備的 OEM 帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)和考慮因素。利用集成架構(gòu)，使用功率脈沖等先進(jìn)技術(shù)，減少設(shè)備的尺寸和重量，可以降低功耗并為供應(yīng)商提供部署靈活性，以優(yōu)化運(yùn)營(yíng)成本并為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。