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为5G供电

日期:2021-08-13
 

每个5G设备都需要一系列功率转换级,用于射频放大器和数据处理,并对可靠性和性能提出要求
作者:Jon Cooper,技术经理,Avnet Abacus
 
我们都期待着5G移动通信和承诺的好处——理论上比50Gps更快的下载速度,比4G低50倍的延迟,为家庭和工厂自动化开放物联网,当然还有对自动车辆的控制。据一份爱立信移动报告预测,到2025年,全球范围内由此产生的数据流量预计将达到160 EB左右,随着连接设备将超过每平方公里100万台,其中许多设备处于运行状态,提供足够的覆盖是未来的一大担忧。传统的大功率基站可能会留下没有信号的“黑点”,而且,由于5G中使用的频率较高,目前约为4GHz,由于有效范围较短,问题可能更严重。随着频谱的开放,毫米波段的频率将更高,而实现更好覆盖的唯一可行解决方案是建立覆盖更小区域的低功率“微型”电池网络,例如安装在电线杆上或办公室和公共建筑的室内。
这意味着部署的设备将得到广泛的扩展,所需的电力也将增加;5G预计需要比典型4G基站需要两倍或更多的电力。这一增长,伴随着网络的扩大,意味着运营商面临着能源消耗的大幅增长,相应的财务成本和全球环境影响。因此,要使基站从宏观到微观,尽可能节能,压力很大。此外,效率更高,导致更小和更轻的设备,更容易安装和维护,在理想情况下只需要一个人。
 
有效地为射频放大器供电
基站射频输出功率从以毫瓦级运行的“femto”单元到通常高达10W的“小型”单元,到最大5G MIMO(多输入多输出)阵列的100W多一点。GHz频率下的射频功率放大器(PA)固有地不是非常有效,通常为50-60%,因此仅PA就可以消耗250W左右。此数字为一个放大器,在典型的5G基站站点,根据华为的数据,总功耗可以超过11.5kW,包括传统的2/3/4G射频以及所有数据处理和控制电路(图1)。
 

1:基站能耗上升(华为数据)
 
针对功率放大器的功率要求,电压轨需要低噪声和严格控制,尽管下游的“包络跟踪”可用于提高放大器效率。LDMOS功率晶体管的使用频率高达4GHz左右,功率等级为kW,通常需要26-32V的电源,对于更高频率,氮化镓(GaN)器件将以50-60V的轨道为主,功率能力高达数百瓦,效率高于LDMOS。这些电压是由隔离的DC-DC转换器产生的,该转换器由带有备用电池的系统48V轨供电。
 
具有典型“电信”输入范围的DC-DC转换器是合适的,并且通常采用适合应用环境的基板冷却“砖块”格式——射频功率放大器通常位于密封盒中的天线头处,仅通过外壳传导冷却到外部空气。在可能的安装范围内,电子设备可能需要在零度以下的温度下启动,并在阳光充足的情况下以满功率运行。为了应对这些极端情况,射频功率放大器及其电源和控制电路可能需要指定在85°C。幸运的是,大多数基板冷却的DC-DC转换器的额定温度至少为这个温度,或者降额后相当高,而同类最佳的设备可以实现高于95%的效率,对内部温升的贡献很小(图2)。


2:基板冷却DC-DC转换器适合RF功率放大器功率要求(Flex Power Modules
 
然而,重要的是,转换器的运行应远离其最大额定值,由于可靠性和寿命是衡量可用性和总体拥有成本的关键,因此,如果任何电子设备在桅杆顶部的密封外壳中发生故障,那么就损失的通信量和更换成本而言,这可能非常昂贵。为此,至少需要“5个9”的可用性,即99.999%的可用性或每年少于5.26分钟的停机时间。考虑到整个电子系统的复杂性,元件和模块必须单独具有非常高的可靠性,并且平均无故障时间(MTBF)为数千万小时,在高平均温度下使用寿命超过10年的DC-DC转换器将是预期的最低值。
远程监控电源轨时,对可用性的信心得到增强。如果DC-DC转换器并联以实现冗余,则健康监测是必要的,“砖”转换器通常会通过数字电源管理接口来实现这一点,通常是在I2C以上的PMBus标准。PMBus除了监控电压水平、输出负载和温度外,还允许调整警告和停机阈值电平。输出电压可以被削减,通常在一个广泛的范围,以适应射频PA要求,并允许技术升级,而不必改变DC-DC转换器。一些DC-DC也会感应到负载条件,并调整其内部回路补偿,以获得最佳负载瞬态响应。
 
基站是一个密集的数据处理系统
直至无线电功率放大器和接收器级,基站中的电子设备是典型的数据处理系统,包括CPU、FPGA、SoC、ADC、DAC和许多其他逻辑和接口功能。这就需要一系列电源轨,从1V到12V甚至更高的电压用于存储和接口,而且还需要使用DC- DC,通常采用常见的负载点(PoL)转换器形式。POL由48V或12V的中间总线供电,并在目标负载附近提供严格调节的电压轨。图3显示了Xilinx SoC设备的典型配置。
 

3:典型SoC设备所需的各种电源轨
 
在传统蜂窝站点架构中,控制电子设备将位于靠近塔楼的“小屋”中,环境相对良好,甚至可能有空调。然而,由于5G的高单元密度,“零占用”架构很常见,所有控制、传输、基带和功率(CTBP)功能都在一个较小的组件中。这样一来,电子设备就更容易受到极端温度和雷击的影响,因此必须采取适当的保护措施以保持可靠性。在应用中,任何模块化电源转换器(如隔离DC-DC或POL)应为具有适当降额的最佳质量,理想情况下,应具有用于控制和健康指示的数字接口。这就是说,由于小型电池对硬件成本非常敏感,与专用离散设计相比,DC-DC模块可能被视为一种昂贵的选择。
 
AC-DC电源混合使用
所有基站都需要AC-DC电源作为一次能源,并为备用电池充电。对于大型装置,交流电源可以是三相,对于由照明电路供电的小型电池,可以是单相230VAC,甚至是277VAC,在480VAC三相系统中使用相间电压。即使有备用电池,可靠性在任何情况下都是至关重要的,以避免在偏远地区的更换成本,因此高品质的部件是必要的内置健康监测。转换器会受到所提到的所有电气和物理环境的变化,而AC-DC的基板冷却通常是避免内部温度升高的一个优势。这也消除了风扇固有的有限寿命的需要。
 
结论
5G单元硬件必须满足苛刻的环境要求,具有高性能和高可用性,且总体拥有成本较低,包括购置、维护和能耗。电源配置是满足这些要求的基础,可以从Avnet Abacus提供的范围中选择领先制造商提供的合适隔离DC-DC转换器、PoL模块和AC-DC电源。
www.avnet.com/wps/portal/abacus/
 

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