5G基礎建設電源供應設計考量(第一章)

2021-04-12

隨著5G時代到來,網路電源供應需求日新月異。5G設備對電力供應品質相當敏感,且必須在各種室內外環境中運作。

 

5G透過讓行動核心與核心路由器在活躍及閒置狀態間迅速切換,改變了這項機制。更大的頻寬及壓縮技術,讓5G網路得以在固定時間內透過系統傳送更多資料,增加閒置時間、節省電力。

 

有鑒於此,要邁向5G基礎建設,就需要全新的電源供應設計考量。FSP提供一系列專為特定生態設計、改善5G 整體生態系統裝置的電源管理,包括透過天線的使用者設備、基地台閘道、聚合路由器、行動核心與雲端。設備確保了無論裝置配置在基礎建設堆疊內何處,皆能從主網路獲得可靠電力。透過設備,個人與組織可持續為本身與其客戶提供服務。

 

5G基礎建設架構與電源供應器

5G網路基礎建設使用各種電源供應器。對單元的需求包括了可於室內外運作、搭載突波保護機制、提供階梯式電壓變動,以及可與異質系統相容的外型規格。

5G堆疊的存取側包含如智慧型手機、平板、筆記型電腦與桌上型裝置等使用者設備。 位於堆疊內此區塊的裝置需要可於室內室溫下運作,且提供敏感電子元件保護的電源供應設備,而此領域已有長足發展。

另一個領域則是適用於天線與eNodeB單元的電源供應器,此設備必須適用於戶外環境、防塵防水,且體積越小越好。

行動回傳網路是行動網路中將無線電存取網路連接至核心網路的部分,也需要特定電源供應解決方案,使其能夠高效運行。供應基地台閘道、聚合路由器、行動核心的電源供應單元必須能夠在戶外或半戶外的環境中運作、承受劇烈溫度變化,並具備突波保護機制。

對行動核心本身也有所要求,通常在室內或容器中。行動網路業者需要小體積的模組化單元以符合其應用。

最後,雲端業者需要CRPS標準電源供應器,讓建置叢集同質化。許多業者也需要備援電源供應器,在另一個電源供應器停止運轉時持續提供電力。

 

電源供應設計考量

若組織希望完全發揮5G 潛在效益,則需要採用更多毫米波收發器、更快的資料轉換、用於小型基地台的低噪音功率放大器,以及更多現場可程式化閘道陣列(FPGA)。最終目標是在降低5G 系統整體功耗之餘,這些新方法可大幅提升對使用者的可靠性。鑒於波動為毫米級,碟面可能小至數公分,讓工程師可在造成最小視覺衝擊的情況下將更多元件納入天線。

這項新設備正引領新的電源供應需求。儘管整體耗電通常較低,5G設備的公差也較小; 通常需要多個精密電壓在兩側幾乎沒有偏差的情況下正確運作。

在以下的章節,我們將更詳細探討5G基礎建設電源供應考量因素。

 

存取設備

5G的覆蓋方式與4G不同。相較於使用覆蓋範圍達30公里(不限方向)的大型天線,5G靠「小型基地台」提供極有限範圍的區域覆蓋,通常介於10至2,500公尺。部分以定向方式運作。

以3G與4G來說,網路業者使用eNodeB系統分配網路。但目前大部份使用LTE的業者偏好考慮以六角形格柵排列的Cell,顯示地理上的訊號覆蓋。
而針對5G,評估結果顯示網路業者需要安裝上百萬座獨立天線才能提供完整覆蓋。因為5G訊號僅能短距移動,與前幾代訊號的運作方式不同。建材、造景或甚至雨水都有可能干擾訊號,這對選擇電源供應器有重要意義,如以下探討內容所述。

 

體積精巧

ENodeB機制的創新在於將RNC功能納入天線。 5G系統內的天線對其運作有更多的操控權,而非透過中央基地台控制。

然而,這些改變意味著電源供應器必須進化。小型基地台必須配合空間有限的環境,如紅綠燈、電線桿與屋頂等。因此電源供應單元必須體積精巧,才能與接收電力的設備合作無間。

 

散熱

5G設備電源供應單元也必須調節各種散熱議題。設備中的內部電源供應器無法隨時使用風扇進行散熱,因此電源供應器必須利用先進熱交換機制,被動冷卻元件。

 

停電與異常保護

小型基地台也無法避免會不時遇到停電狀況,因此電源供應器必須能夠配合備援電力。當小型城市發展5G基礎建設時,備援可能成為確保市民安全的關鍵元件。

專家普遍相信5G小型基地台遇到電力異常時必須仍可持續運轉。與整合式電源供應裝置搭配使用將提高成本,但可在電壓劇烈變化時提供小型基地台保護。

舉例來說,FET可耗散功率,並穩定輸入與輸出電壓之間的差異。亦可使用溫度控制功能,讓內部功率MOSFET維持在安全的運作範圍內。

電源供應單元也必須提供對電壓及電流尖波的保護。電路特性變更可能導致效能降低,甚或損壞敏感5G元件。

 

半導體要求

次世代小型基地台搭載極為敏感的毫米波組件與現場可程式化閘道陣列。這些積體電路必須配合根據其設計公差,提供精確電壓的電源供應器。電壓尖波或其他干擾可能導致其損壞,造成運行中斷與更高的所有權整體成本。

 

封包追蹤

封包追蹤也預期在開發5G相容裝置電源供應器時扮演重要角色。許多組織都已使用相容於最新5G網路的本地無線電存取設備與5G 裝置,然而要成功採用5G ,必須確保設備速度快到足以支援新技術,方能填補硬體落差。

透過封包追蹤,系統會持續調整RF 功率放大器所使用的電壓,協助供應器以尖峰效率運作。功率與效率同時提升通常會導致過熱,但透過封包追蹤持續調整RF的應用電壓,有助於減少系統所產生的廢熱。

以非線性模式提供系統電力,可能有助於將5G裝置電力使用降低約50至60%。因為此方式可透過只提供系統真正需要的能源,而降低散熱。

 

防塵功能

某些5G網路應用需要防塵電源供應器,因為天線、基地台與其他控制器不一定都在建築物中。實際上,有鑒於5G訊號不易穿透牆面,可能也使設計者主動避開此類設計。

防塵電源供應器搭載堅固金屬外殼,有時以導熱矽膠包覆。不使用風扇以避免灰塵進入,取而代之的是仰賴被動冷卻技術,將餘熱耗散出機殼,排放至更大的空間。有時系統會採用透過外部風扇輔助散熱器的封閉式水冷機制。

 

防水功能

用於建築物屋頂、紅路燈與其他外部都會小型機器台等戶外地點的電源供應器,亦須具備防雨與防潮功能。

一般的做法是將電源供應單元放入防水櫃內,製造「半戶外」環境。電源供應透過防水線,提供5G 網路中的小型基地台與其他節點電力。
機櫃尺寸相當依賴電源供應器需求,以及是否需要存放電池備援。某些情況下,製造商會只使用橡膠密封與防水塑膠達到電源供應器的防水目的。

以上方式可達到更安全的整體電源功能、更理想的系統運作。細胞持續待在其安全運作區域內,無須猜測或持續監控系統。這對5G來說是好消息,因為尋找、修復與替代上百萬小型基地台對網路業者來說代價會非常高昂。

 

回傳設備

回傳部分為5G網路中將存取介面(包括天線、eNodeB與小型基地台閘道)連結至行動核心與網際網路的部分。與存取設備類似,有特定的電源供應需求。

回傳電源供應器搭配聚合路由器與核心路由器,這些單元通常需要具備12V /48 V 輸出的電源供應器。

許多回傳系統在高海拔地點運作,因此找到具備高海拔設計的電源供應器相當重要。位於高處的發射器、中繼器與廣播塔可在特定地理區域提供最大覆蓋率。

因為空氣變得稀薄,海拔是設計電子元件時的要素。爬得越高,空氣越稀薄,使得透過被動或主動空氣冷卻機制的排熱效率變差,因此所提供的每功率單位都會使電子元件承受更高的元件溫度。

此外,在有高度的情況下,空氣對電流來說會變成較差的絕緣體(直到達真空狀態),因此位於高處的回傳電源供應器有較高短路風險。海拔越高,爬電距離(定義為絕緣表面測得的兩個導電元件間最短距離)越短,因此適合地面通訊設備的電源供應規格未必適用於高度抬升的情況。

電源供應器也必須能將AC 轉換為DC。許多回傳系統依靠半導體執行其運作,因此這些系統只能夠於DC上運作。

儘管應用於回傳網路運作的現代電源供應器相當可靠,仍有故障的時候,例如電晶體或FET的問題可能造成過電壓短路。此類情況會導致核心與聚合路由器內的元件損壞,將其置於風險之中。

具備過電壓保護的轉接器與電源供應器則可降低這些風險。目前有數種過電壓技術,其中最普遍的一種為SCR消弧電路,電路使用晶體閘流管連接熔斷的保險絲,隔離電路以保護設備。

 

另一種方法為電壓箝制。在電源供應器調整輸出處配置Zener二極體,將電壓設定為略高於最大導軌電壓。系統正常運作時Zener二極體不會傳導,當電壓過高時,二極體便會將電壓「箝制」在略高於電壓通道的數值。

 

FSP提供數種適用於回傳功率解決方案的核心功能,包括:

  1. 提供標準化智慧電源供應器的R&D能力:如具備數位及通訊功能、高功率密度、高效率、針對嚴苛環境條件設計、適用於更廣泛鋪設的高度可擴充系統等特性的產品。
  2. 數位化產品設計:可迅速供應修改標準品。
  3. 模組化產品設計:讓從下至上的電源供應器建構輕鬆簡單,符合特定客戶功率需求條件。
  4. 從各種電源供應裝置產品組合選擇的能力,適用於各種應用。
  5. 快速回應客戶需求:5G基礎建設不斷進化,因此FSP 將快速符合其需求列為首要。
  6. 高品質:FSP電源供應產品符合電信產業代理商的品質要求。

在第二章中,我們將繼續探討5G電源供應設計考量因素。下一章我們將說明5G網路核心,以及連接網路與雲端裝置(如伺服器)的電源供應考量因素。

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