Как да изберете енергоспестяващи модули за захранване за БТС?

Разбиране на изискванията към модулите за захранване на BTS в мрежи 5G

Защо работните натоварвания на базовите предавателно-приемни станции изискват динамична енергийна ефективност

Натоварването върху базовите станции за 5G всъщност варира значително — от около 300 вата, когато те просто стоят и не извършват никаква дейност, до понякога над 1500 вата по време на пикови периоди. Това оказва директно влияние върху разходите за експлоатация на тези станции и върху техния екологичен отпечатък. По-старите мрежови конфигурации разпределят своите енергийни нужди по различен начин в сравнение с технологията 5G, която силно разчита на милиметрови вълни и големи антенни решетки, известни като Massive MIMO. Тези по-нови технологии концентрират основната част от енергопотреблението в определени компоненти, наречени радиочестотни блокове (RF units) или съкратено AAU (Active Antenna Units), които използват повече от половината от цялата електроенергия, потребявана на всяка локация. Когато тези захранващи блокове не работят на пълна мощност, те също губят значително количество енергия — загубите могат да достигнат до 40 % при неоптимални режими на работа. Затова модерните захранващи модули трябва да коригират нивата си на ефективност според текущите условия чрез някаква система за реално време наблюдение. Те трябва да намаляват енергийното си потребление по време на спокойните периоди, но същевременно да са готови моментално да преминат в режим на висока производителност при неочаквано увеличение на търсенето за мрежова капацитетност.

Термични ограничения и надеждност: Как температурата на прехода влияе върху живота на силовия модул

Температурата в точката на съединение играе основна роля при определяне на срока на експлоатация на силовите модули. За полупроводниците всяко повишаване с 10 градуса Целзий над 100 градуса намалява техния очакван животен срок наполовина. Компактните базови станции за 5G представляват особени предизвикателства за компонентите от галий-азот (GaN) и кремний-карбид (SiC), тъй като те генерират значително термично напрежение. Обработката на високочестотни сигнали в комбинация с неефективно преобразуване на напрежението създава проблеми, особено когато пасивните методи за охлаждане достигнат своите граници. Тази ситуация ускорява проблемите, свързани с електромиграцията, и води до по-бързо износване на материалите. Според данни от практиката силовите модули, които работят при температури над 125 градуса Целзий, имат около 35 % повече откази годишно в сравнение с модулите, които се поддържат в безопасни температурни диапазони. Когато компаниите прилагат интелигентни стратегии за термичен мениджмънт – като например подобрени конструкции на топлоотводи и системи за принудително въздушно охлаждане, – средното намаляване на температурата в „горещите точки“ обикновено е около 22 градуса. Тези подобрения не само защитават компонентите, но и намаляват енергийните разходи за охлаждане приблизително с 18 % годишно. Намирането на правилния баланс между производителност и контрол на температурата остава критично, ако искаме тези системи да функционират надеждно в продължителни периоди без прекомерни разходи за поддръжка.

Оценка на ефективността на модула за захранване при реални работни състояния на BTS

Измерване на динамичните профили на мощност: режим на готовност, частична натовареност и максимална натовареност чрез бенчмарковете на 3GPP TR 36.814

За да разберем истински дали един модул за захранване работи добре, трябва да го тестваме в три основни работни състояния на BTS, признати от индустрията: когато просто стои неподвижен и не извършва нищо (режим на готовност), когато работи на средно ниво между 40 % и 70 % от капацитета си (частична натовареност) и когато е максимално натоварен при пълен 100 % потребителски капацитет (максимална натовареност). Съществува стандартът 3GPP TR 36.814, който ни предоставя добри референтни показатели за създаване на реалистични сценарии за 5G трафик. И какво ли ще кажете? Разликите в енергийното потребление между тези режими могат да надхвърлят 60 %, което е доста значимо. Когато системата е в режим на готовност, ефективните модули поддържат тези основни функции за управление, но не консумират прекалено много ток, така че намаляват загубите на енергия в покой. Тестването при частична натовареност ни показва колко добре регулирането на напрежението се справя с малките върхове на мощност, без да причинява прекалено много загуби при превключване. При максимална натовареност търсим проблеми като термично ограничаване и проблеми с преобразуването, тъй като лошо проектирани модули могат да губят повече от 300 вата всяка час дори само като стоят неподвижни. Специалните симулации „Hardware-in-the-Loop“ помагат за проверка на стабилността при внезапни промени, като предотвратяват надвишаване на напрежението, което уврежда радиоперформанса. Изпълнението на всички тези различни режими гарантира, че модулите работят ефективно в реални мрежи — факт, който директно влияе върху операционните разходи и предотвратява прегряването на оборудването.

Оценка на функциите за управление на енергията на хардуерно ниво в модулите за захранване на БТС

Съвременните модули за захранване на базови предавателно-приемни станции интегрират специално проектирани хардуерни функции, за да отговорят на динамичните изисквания към енергията при 5G — като по този начин осигуряват баланс между бързодействие, ефективност и термична устойчивост.

Производителност в режими на сън: забавяне срещу спестяване на енергия в модули за захранване, базирани на GaN

Технологията на нитрида на галий позволява бързо превключване между активните и режимите на ниска мощност (спящ режим), което помага за намаляване на загубената енергия, когато базовите предавателно-приемни станции не предават активно сигнали. Има обаче един недостатък. Когато системите преминават в дълбок спящ режим, те могат да спестяват около 70 % енергия, но след това отнема около 5–8 милисекунди, за да се събудят отново. От друга страна, поддържането на системите в лек спящ режим осигурява почти моментални времена на отговор под една милисекунда, но не води до толкова значителна икономия на енергия. Всички тези постоянни превключвания между състояния всъщност повишават температурата на компонентите поради циклите на нагряване и охлаждане, което също не е благоприятно за дългосрочната надеждност. Операторите на мрежи трябва да решат как да зададат тези параметри за спящ режим, като вземат предвид какво има най-голямо значение за конкретната им ситуация. Някои може да предпочетат изключително бързи отговори за критично важните услуги за ултранадеждна комуникация с ниско забавяне, докато други, които управляват високи предавателни кули с голям обхват, вероятно ще отдадат по-голямо значение на максимално възможната икономия на енергия, дори ако това означава малко по-бавно стартиране.

Адаптивно мащабиране на напрежението и техники за намаляване на мощността за до 22 % намаляване на пиковата мощност

Динамичното мащабиране на напрежението и честотата (DVFS) работи чрез непрекъснато регулиране на количеството енергия, подавана към процесорите, в зависимост от това какво точно извършват те в даден момент. Тази система също анализира предварително натоварването, за да предвиди периодите на ниска интензивност в потока данни и да намали безопасно нивото на напрежение по време на тях, като по този начин спестява около 12–18 % енергия общо. Комбинирането на тази технология с така нареченото „отчитане на мощността“ още повече подобрява ефективността. Отчитането на мощността включва микроскопични намалявания на напрежението, продължаващи само микросекунди, по време на кратките моменти, когато процесорът не е задействан. Тази комбинация може да намали пиковото потребление на мощност до 22 % в някои случаи. За градовете, натъпкани със сървъри и оборудване, такива вградени мерки за енергийна ефективност имат голямо значение. Традиционните решения за охлаждане вече не са достатъчни в много ситуации, тъй като или заемат твърде много място, или просто струват твърде скъпо за правилна инсталация.

Сравнение на стратегиите за икономия на енергия на ниво модул за устойчиво разполагане на BTS

Разделянето на подходите за спестяване на енергия на модулни компоненти прави базовите предавателно-приемни станции значително по-екологични като цяло. Когато инженерите отделят отделни елементи като DC-DC преобразуватели, цифрови контролери и системи за термично управление, те получават възможността да настройват индивидуално всеки компонент — нещо, което просто е невъзможно при традиционните монолитни системи. Вземете за пример йерархичното управление на енергията: локални подконтролери осигуряват ефективност на ниво модул чрез техники като автоматично регулиране на времето, когато модулите преминават в спящ режим. Едновременно с това главен контролер управлява балансирането на енергията в цялата система. Според някои полеви тестове, проведени от GSMA през 2023 г., тази конфигурация намалява загубите на енергия по време на периоди на бездействие с около 19 %. Топлинната изолация на всеки енергиен модул предотвратява разпространението на топлина из цялото оборудване. Това означава, че се изискват по-малко агресивни решения за охлаждане, което намалява разходите за охлаждане с около 30 %. Възможността за независимо мащабиране на компонентите е още един голям плюс за дългосрочното планиране. Операторите на мрежи не са принудени да заменят цели системи, когато определени части започнат да изпитват затруднения под тежки натоварвания. Те могат просто да заменят само проблемните участъци, например преобразуватели за върхови натоварвания. През десетгодишен период това спестява между 8 и 12 тона електронни отпадъци на всяко местоположение. Всички тези подобрения означават по-дълъг срок на експлоатация на хардуера, по-нисък въглероден отпечатък и по-добра готовност за новите енергийни изисквания, свързани с развитието на технологията 5G.