5G基础建设电源供应设计考量(第一章)

2021-04-12

随着5G时代到来,网路电源供应需求日新月异。5G设备对电力供应品质相当敏感,且必须在各种室内外环境中运作。

 

5G透过让行动核心与核心路由器在活跃及閒置状态间迅速切换,改变了这项机制。更大的频宽及压缩技术,让5G网路得以在固定时间内透过系统传送更多资料,增加閒置时间、节省电力。

 

有鉴於此,要迈向5G基础建设,就需要全新的电源供应设计考量。FSP提供一系列专為特定生态设计、改善5G 整体生态系统装置的电源管理,包括透过天线的使用者设备、基地台闸道、聚合路由器、行动核心与云端。设备确保了无论装置配置在基础建设堆叠内何处,皆能从主网路获得可靠电力。透过设备,个人与组织可持续為本身与其客户提供服务。

 

5G基础建设架构与电源供应器

5G网路基础建设使用各种电源供应器。对单元的需求包括了可於室内外运作、搭载突波保护机制、提供阶梯式电压变动,以及可与异质系统相容的外型规格。

5G堆叠的存取侧包含如智慧型手机、平板、笔记型电脑与桌上型装置等使用者设备。 位於堆叠内此区块的装置需要可於室内室温下运作,且提供敏感电子元件保护的电源供应设备,而此领域已有长足发展。

另一个领域则是适用於天线与eNodeB单元的电源供应器,此设备必须适用於户外环境、防尘防水,且体积越小越好。

行动回传网路是行动网路中将无线电存取网路连接至核心网路的部分,也需要特定电源供应解决方案,使其能够高效运行。供应基地台闸道、聚合路由器、行动核心的电源供应单元必须能够在户外或半户外的环境中运作、承受剧烈温度变化,并具备突波保护机制。

对行动核心本身也有所要求,通常在室内或容器中。行动网路业者需要小体积的模组化单元以符合其应用。

最后,云端业者需要CRPS标準电源供应器,让建置丛集同质化。许多业者也需要备援电源供应器,在另一个电源供应器停止运转时持续提供电力。

 

电源供应设计考量

若组织希望完全发挥5G 潜在效益,则需要採用更多毫米波收发器、更快的资料转换、用於小型基地台的低噪音功率放大器,以及更多现场可程式化闸道阵列(FPGA)。最终目标是在降低5G 系统整体功耗之餘,这些新方法可大幅提升对使用者的可靠性。鉴於波动為毫米级,碟面可能小至数公分,让工程师可在造成最小视觉衝击的情况下将更多元件纳入天线。

这项新设备正引领新的电源供应需求。儘管整体耗电通常较低,5G设备的公差也较小; 通常需要多个精密电压在两侧几乎没有偏差的情况下正确运作。

在以下的章节,我们将更详细探讨5G基础建设电源供应考量因素。

 

存取设备

5G的覆盖方式与4G不同。相较於使用覆盖范围达30公里(不限方向)的大型天线,5G靠「小型基地台」提供极有限范围的区域覆盖,通常介於10至2,500公尺。部分以定向方式运作。

以3G与4G来说,网路业者使用eNodeB系统分配网路。但目前大部份使用LTE的业者偏好考虑以六角形格栅排列的Cell,显示地理上的讯号覆盖。
而针对5G,评估结果显示网路业者需要安装上百万座独立天线才能提供完整覆盖。因為5G讯号仅能短距移动,与前几代讯号的运作方式不同。建材、造景或甚至雨水都有可能干扰讯号,这对选择电源供应器有重要意义,如以下探讨内容所述。

 

体积精巧

ENodeB机制的创新在於将RNC功能纳入天线。 5G系统内的天线对其运作有更多的操控权,而非透过中央基地台控制。

然而,这些改变意味着电源供应器必须进化。小型基地台必须配合空间有限的环境,如红绿灯、电线桿与屋顶等。因此电源供应单元必须体积精巧,才能与接收电力的设备合作无间。

 

散热

5G设备电源供应单元也必须调节各种散热议题。设备中的内部电源供应器无法随时使用风扇进行散热,因此电源供应器必须利用先进热交换机制,被动冷却元件。

 

停电与异常保护

小型基地台也无法避免会不时遇到停电状况,因此电源供应器必须能够配合备援电力。当小型城市发展5G基础建设时,备援可能成為确保市民安全的关键元件。

专家普遍相信5G小型基地台遇到电力异常时必须仍可持续运转。与整合式电源供应装置搭配使用将提高成本,但可在电压剧烈变化时提供小型基地台保护。

举例来说,FET可耗散功率,并稳定输入与输出电压之间的差异。亦可使用温度控制功能,让内部功率MOSFET维持在安全的运作范围内。

电源供应单元也必须提供对电压及电流尖波的保护。电路特性变更可能导致效能降低,甚或损坏敏感5G元件。

 

半导体要求

次世代小型基地台搭载极為敏感的毫米波组件与现场可程式化闸道阵列。这些积体电路必须配合根据其设计公差,提供精确电压的电源供应器。电压尖波或其他干扰可能导致其损坏,造成运行中断与更高的所有权整体成本。

 

封包追踪

封包追踪也预期在开发5G相容装置电源供应器时扮演重要角色。许多组织都已使用相容於最新5G网路的本地无线电存取设备与5G 装置,然而要成功採用5G ,必须确保设备速度快到足以支援新技术,方能填补硬体落差。

透过封包追踪,系统会持续调整RF 功率放大器所使用的电压,协助供应器以尖峰效率运作。功率与效率同时提升通常会导致过热,但透过封包追踪持续调整RF的应用电压,有助於减少系统所产生的废热。

以非线性模式提供系统电力,可能有助於将5G装置电力使用降低约50至60%。因為此方式可透过只提供系统真正需要的能源,而降低散热。

 

防尘功能

某些5G网路应用需要防尘电源供应器,因為天线、基地台与其他控制器不一定都在建筑物中。实际上,有鉴於5G讯号不易穿透墙面,可能也使设计者主动避开此类设计。

防尘电源供应器搭载坚固金属外壳,有时以导热硅胶包覆。不使用风扇以避免灰尘进入,取而代之的是仰赖被动冷却技术,将餘热耗散出机壳,排放至更大的空间。有时系统会採用透过外部风扇辅助散热器的封闭式水冷机制。

 

防水功能

用於建筑物屋顶、红路灯与其他外部都会小型机器台等户外地点的电源供应器,亦须具备防雨与防潮功能。

一般的做法是将电源供应单元放入防水柜内,製造「半户外」环境。电源供应透过防水线,提供5G 网路中的小型基地台与其他节点电力。
机柜尺寸相当依赖电源供应器需求,以及是否需要存放电池备援。某些情况下,製造商会只使用橡胶密封与防水塑胶达到电源供应器的防水目的。

以上方式可达到更安全的整体电源功能、更理想的系统运作。细胞持续待在其安全运作区域内,无须猜测或持续监控系统。这对5G来说是好消息,因為寻找、修復与替代上百万小型基地台对网路业者来说代价会非常高昂。

 

回传设备

回传部分為5G网路中将存取介面(包括天线、eNodeB与小型基地台闸道)连结至行动核心与网际网路的部分。与存取设备类似,有特定的电源供应需求。

回传电源供应器搭配聚合路由器与核心路由器,这些单元通常需要具备12V /48 V 输出的电源供应器。

许多回传系统在高海拔地点运作,因此找到具备高海拔设计的电源供应器相当重要。位於高处的发射器、中继器与广播塔可在特定地理区域提供最大覆盖率。

因為空气变得稀薄,海拔是设计电子元件时的要素。爬得越高,空气越稀薄,使得透过被动或主动空气冷却机制的排热效率变差,因此所提供的每功率单位都会使电子元件承受更高的元件温度。

此外,在有高度的情况下,空气对电流来说会变成较差的绝缘体(直到达真空状态),因此位於高处的回传电源供应器有较高短路风险。海拔越高,爬电距离(定义為绝缘表面测得的两个导电元件间最短距离)越短,因此适合地面通讯设备的电源供应规格未必适用於高度抬升的情况。

电源供应器也必须能将AC 转换為DC。许多回传系统依靠半导体执行其运作,因此这些系统只能够於DC上运作。

儘管应用於回传网路运作的现代电源供应器相当可靠,仍有故障的时候,例如电晶体或FET的问题可能造成过电压短路。此类情况会导致核心与聚合路由器内的元件损坏,将其置於风险之中。

具备过电压保护的转接器与电源供应器则可降低这些风险。目前有数种过电压技术,其中最普遍的一种為SCR消弧电路,电路使用晶体闸流管连接熔断的保险丝,隔离电路以保护设备。

 

另一种方法為电压箝制。在电源供应器调整输出处配置Zener二极体,将电压设定為略高於最大导轨电压。系统正常运作时Zener二极体不会传导,当电压过高时,二极体便会将电压「箝制」在略高於电压通道的数值。

 

FSP提供数种适用於回传功率解决方案的核心功能,包括:

  1. 提供标準化智慧电源供应器的R&D能力:如具备数位及通讯功能、高功率密度、高效率、针对严苛环境条件设计、适用於更广泛铺设的高度可扩充系统等特性的产品。
  2. 数位化产品设计:可迅速供应修改标準品。
  3. 模组化产品设计:让从下至上的电源供应器建构轻鬆简单,符合特定客户功率需求条件。
  4. 从各种电源供应装置产品组合选择的能力,适用於各种应用。
  5. 快速回应客户需求:5G基础建设不断进化,因此FSP 将快速符合其需求列為首要。
  6. 高品质:FSP电源供应产品符合电信产业代理商的品质要求。

在第二章中,我们将继续探讨5G电源供应设计考量因素。下一章我们将说明5G网路核心,以及连接网路与云端装置(如伺服器)的电源供应考量因素。

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