Как да изберем подходящия силов модул за базови станции

Разбиране на захранващите нужди и динамиката на натоварването на базовата станция

Преглед на обработващия блок на базовата станция и неговите захранващи нужди

Последните базови блокове за обработка се нуждаят от специално проектирани силови модули, които могат да подават между 48 и 72 волта постоянен ток, като при това запазват шумовите пулсации под 150 микроволта, за да се осигури качеството на сигнала. Консумацията на енергия варира значително при различните модели – от около 80 вата до 350 вата, в зависимост от сложността на обработката. Когато става дума конкретно за 5G системи, според последни отраслови доклади те консумират около 22 процента повече енергия в пикови моменти в сравнение със своите 4G аналогове. Тази увеличена консумация става особено забележима по време на MIMO операции и при обработка на корекции на грешки. Силовите модули трябва да могат да издържат 105% от номиналната си мощност поне десет секунди без прекъсване при тези условия.

Съвпадение на възможностите на силовите модули с товара на базовите блокове

Анализ на индустрията от 2025 г. разкри, че 68% от силовите модули за базови блокове не съответстват на работното натоварване поради три критични пропуска:

• Игнориране на върховете в обработката на протоколните стекове по време на операции по предаване
• Занижаване на токовете за декодиране с LDPC с 19–31%
• Пропускане на закъснение от 10–15 ms в топологиите за споделяне на ток

Тези несъответствия водят до намаляване на напрежението, нестабилност на тактовия сигнал и увеличаване на грешките в битовете, особено при динамични трафик условия.

Критерии за производителност в среди с динамична обработка на сигнали

Оптималните силови модули трябва да отговарят на строги еталони за производителност в различните поколения:

Постигането на праговите стойности за 5G изисква по-бързи контурни регулатори, по-строга стабилизация и напреднали техники за паралелно свързване.

Примерно изследване: Колебания на захранването в базови блокове за 5G по време на пиков пропускливост

По време на полеви изпитвания при инсталация с масивно MIMO на 3,5 GHz, инженерите забелязали значително падане на напрежението с 27%, когато едновременно се използвали модулация 256-QAM и бързо насочване на лъч. Съществуващият силов модул разполагал само с обемен кондензатор от 92 микропарада, което не било достатъчно, за да поеме кратките, но интензивни върхове на тока над 85 ампера в продължение на около 8 микросекунди. Това довело до проблеми със стабилността на тактовия сигнал на цифровия сигнален процесор и загуба на около 12% от данните. Когато преминали към друга конфигурация, комбинирайки полимерни кондензатори от 470 микропарада с четирифазно интерлевингово свързване, ситуацията се подобрила значително. Максималният токов капацитет нараснал почти три пъти спрямо предишния, като успели да запазят относително висока ефективност от 94,1%, дори при работа на 40% от номиналната мощност.

Оразмеряване на силови модули: изходна мощност, токови импулси и намаляване на натоварването

Поетапен метод за изчисляване на нужната обща изходна мощност

Точното оразмеряване на силови модули включва три ключови стъпки:

1. Сумирано номинално енергопотребление на базовата лента през всички ядра на DSP и I/O интерфейси
2. Добавете 25–40% резерв за компенсиране на стареенето на компонентите и вариациите в натоварването
3. Умножете по 1,5–2 пъти за излишък при N+1 конфигурации

Полевите данни показват, че 63% от слабо представящите се базови ленти през 2023 г. са резултат от неточни изчисления на резерва за мощност (Телекомуникационен консорциум за енергия), което подчертава значението на консервативни първоначални оценки.

Отчитане на преходни токови върхове в цифровите базови ленти

Съвременните процесори за базова лента проявяват милисекундни токови скокове до 200% от номиналното натоварване по време на демодулация на сигнала възникват върхове. Тези преходни процеси изискват силови модули с:

• Скорост на нарастване >200 A/µs
• Време за отговор <50 µs
• Допуск за превишаване на стойността ±15%

Проучване от 2023 г. установи, че 38% от базовите 5G устройства са имали преждевременни повреди на силовите модули поради нерегулирани токови импулси над 170 A (Справка за безжичната инфраструктура), което подчертава необходимостта от устойчив дизайн с добра преходна характеристика.

Използване на криви за намаляване на натоварването, за да се осигури дългосрочна стабилност

Водещи производители вече внедряват алгоритми за реално време за намаляване на натоварването, които коригират работните параметри въз основа на сензори за температура и профили на натоварване. Този подход намали топлинно-свързаните повреди с 72% при хибридни устройства 4G/5G (Списание Power Electronics Journal, 2024 г.).

Ефективност, топлинни характеристики и интеграция на охлаждането

Енергийна ефективност като двигател на топлинните характеристики

Модулите за управление на мощността днес се справят много по-добре с топлината, защото просто са по-ефективни. Когато енергията се губи, тя се превръща в топлина, така че подобряването на ефективността означава по-малко натрупване на топлина. Вземете например системите за DC-DC преобразуване – тези напреднали решения намаляват топлинните проблеми с около 40 процента в сравнение със старомодните линейни регулатори. Те работят с ефективност от около 92 до 96 процента, което прави голяма разлика. Основните станции (baseband units) имат сериозна полза от връзката между ефективност и топлинен контрол. Представете си 80-ватов процесор, който работи в един от тези модули – ако преобразуването на енергията не е оптимално, той може да произвежда допълнително топлина в размер на 6 до 8 вата. Такива загуби бързо се натрупват и създават множество предизвикателства за инженерите, които се опитват да поддържат охлаждането.

Сравнителен анализ: Импулсни срещу линейни модули за захранване при отвеждане на топлина

Температурната разлика от 6:1 обяснява защо 78% от 5G базови станции вече използват превключващи архитектури, въпреки изискванията им за сложни мерки за ослабване на пулсации.

Съгласуване на топлинната проектна мощност (TDP) с ограниченията за охлаждане на кутията

Оценките за топлинна проектна мощност (TDP) на силовите модули трябва да съответстват както на най-лошия вариант на процесорна натовареност, така и на околните условия. Модул с TDP от 300W в среда с температура на околната среда 40°C обикновено изисква:

• резерв от 25% въздушен поток за компенсация на височина
• 15% резерв за натрупване на прах във външни кутии
• Активно охлаждане, способно да отвежда 120 CFM на kW топлинен изход

Системите, които надвишават тези граници, рискуват термично ограничаване, което намалява честотата на предаване на базовата лента с до 22% при продължителна работа.

Промишлен парадокс: Висока ефективност при частично натоварване спрямо пълно натоварване

Въпреки че съвременните силови модули постигат ефективност над 80% при товар от 20% — което е идеално за базови станции с променлив трафик, — тяхната производителност при пълен товар често пада под нивото на конкурентите. Този компромисс създава разлика в ефективността от 13% между проектираните за лек товар и тези, фокусирани върху пълен товар, което принуждава инженерите да избират между оперативна гъвкавост или максимална производителност.

Съвместимост с входното напрежение и защита на сигнала

Оценка на съвместимостта със съществуващите архитектури за разпределение на постоянен ток

При избора на модул за захранване за съществуващи DC разпределителни инсталации, важно е да се обърне внимание както на нивата на волтажна толерантност, така и на способността за равномерно разпределяне на товара. Повечето базови станции работят с 48V DC системи и, интересен факт, дори спад или скок в напрежението от само 5% може напълно да наруши протоколите за синхронизация. Според проучване, публикувано миналата година относно компоненти за 5G мрежи, модулите за захранване, които могат да обработват входно напрежение между 40 и 60 волта, намаляват проблемите със съвместимостта с около две трети в сравнение с по-стари модели с фиксирани волтажни диапазони. Този вид гъвкавост прави решаваща разлика за осигуряване на стабилна работа в различни среди.

Влияние на нестабилността на входното напрежение върху цялостността на базовия сигнал

Когато пулсациите на напрежението надхвърлят 120 mVpp в силовите модули, това всъщност влошава положението за сигнали 256-QAM, увеличавайки фазовия шум с около 18%. Това води до понижаване на нивата на EVM под изискванията на стандарта 3GPP, което определено не е добра новина за никого, който работи с тези системи. Проблемът става още по-изразен при приложения в милиметров диапазон, където базовата обработка става изключително чувствителна. Възходящи импулси на тока над 2 ампера започват да пречат на SERDES веригите, като внасят нежелан джитър в синхронизацията, с който инженерите мразят да се борят. За щастие, по-новите конструкции на модули започват да решават този проблем чрез активни техники за филтриране на хармоници. Тези напреднали решения намаляват проводимите ЕМП с около 40%, без да жертват значително ефективността, като запазват производителността на около 95%, дори и при пълна натовареност.

Избор на оптимален тип силов модул за приложения с базов сигнал

Функционални различия и сфери на приложение за AC-DC, DC-DC, линейни и импулсни модули

Правилното функциониране на базовите лентови устройства изисква съгласуване на спецификациите на модула за захранване с реалните нужди на системата. AC-DC преобразувателите са отличен избор при работа с променлив ток, но създават проблеми в телекомуникационни среди, където повечето оборудване вече работи на 48V DC. Линейните модули имат изключително ниско ниво на шум – под 2 микроволта RMS според проучване на IEEE от миналата година, но те губят около половината от енергията си, което изобщо не е практично при големите нужди от мощност при обработката на базов сигнал. Превключващите конструкции постигат значително по-висока ефективност – между 80 и 95 процента, като освен това заемат по-малко пространство. Някои по-нови модели DC-DC могат да поддържат стабилен изход, дори когато при 5G мрежите товарът варира с 40 процента, както е отбелязано в изследването на Ponemon. Резонансните конструкции все още не се използват широко в телекомуникациите, но първоначалните тестове показват, че биха могли да достигнат почти 97 процента ефективност при непрекъсната работа – нещо, което производителите наблюдават внимателно за бъдещи приложения.

Защо DC-DC преобразуващите модули доминират в съвременните базови станции

С бързото разрастване на 5G канала за агрегация, DC-DC преобразуващите модули се превърнаха в предпочитано решение за управление на мощните токови импулси от 150A за микросекунда, наблюдавани при massive MIMO конфигурациите. Традиционните линейни регулатори просто не могат да издържат, като губят около две трети от входната си мощност под формата на топлина по време на пикови натоварвания при 256QAM модулация. Преобразуващите схеми използват различен подход. Те прилагат техники на широчинно-импулсна модулация, които осигуряват около 92% ефективност дори при работа между 30% и пълно натоварване. Реалното предимство става очевидно в тесните шкафове на базовите станции, където температурите често достигат до 55 градуса по Целзий. Тези компактни пространства просто не могат да поемат топлинното натоварване, което по-старите технологии за регулиране биха генерирали при сходни условия.

Компромиси между линейността, шума и ефективността

Инженерите трябва да балансират три конкуриращи се приоритета в базовите системи за захранване:

• Шум : Линейните модули поддържат съотношение сигнал/шум под 50 dB, което е от решаващо значение за антенни масиви 64T64R
• Ефективност : Превключващите топологии запазват ефективност над 85 %, дори по време на обработка на сигнали 100G NRZ
• Линейност : Хибридните конструкции жертват 5–8 % ефективност, за да постигнат регулиране на напрежението ±0,5 % под товар

Проучване от 2023 г. разкрива, че 72 % от внедряванията на 5G поставят ефективността на по-висок приоритет спрямо потискането на шума, като използват филтриране след регулатора, за да отговарят на праговите стойности на EMI според 3GPP от -110 dBm/Hz.

Тенденция: Интегриране на хибридни топологии за подобрено регулиране

Много от водещите производители започват да комбинират превключващи пре-регулатори с линейни пост-регулатори тези дни. Тази комбинация осигурява около 88% ефективност на системата, като поддържа пулсациите на изхода на около 10 mVpp. Цялата хибридна конфигурация работи изключително добре за сложните системи за милиметрови вълни, които изискват както стабилно захранване от 400W, така и висока прецизност, характерна за 16-битови АЦП. Според скорошни полеви тестове, публикувани от MobileTech Insights през 2024 г., при използване на този метод се наблюдават приблизително 43% по-малко нарушения на EVM в сравнение с традиционните изцяло превключващи конструкции. Напълно разбираемо е защо толкова много специалисти в индустрията се обръщат към този подход за своите проекти в рамките на Open RAN.

ЧЗВ

Какво е блок за обработка на базов сигнал?

Базовата единица за обработка е от съществено значение в телекомуникациите за изпълнение на задачи по обработка на сигнали. Използва специално проектирани силови модули, за да осигури определени нужди по отношение на напрежение и мощност, като поддържа ниско пулсиране на шума за високо качество на сигнала, особено при напреднали технологии като 5G.

Защо 5G системите консумират повече енергия в сравнение с 4G?

5G системите използват повече енергия в сравнение с 4G поради разширени функции като MIMO операции и корекции на грешки, които изискват повече от силовите модули, което води до увеличено потребление на мощност.

Как влияят несъответствията във възможностите на силовите модули върху базовите единици за обработка?

Несъответствия, като пренебрегване на върховете при обработката на протоколния стек или занижаване на LDPC декодирането, довеждат до спад на напрежението и нестабилност на тактовия сигнал, което увеличава честотата на битови грешки при динамични трафик условия.

Какво е значението на проекта за преходна реакция в силовите модули?

Проектирането на преходния отклик е от съществено значение за управление на токови вълни в милисекундни мащаби, които могат да доведат до преждевременни повреди на силовите модули, особено в изискващи 5G среди с високи пикове над 170 А.

Защо DC-DC преобразуващите модули са предпочитани в приложения за 5G базови станции?

DC-DC преобразуващите модули ефективно управляват типичните високи токови пикове в 5G приложения, предлагайки по-висока ефективност в сравнение с традиционните линейни стабилизатори и са от решаващо значение за поддържане на експлоатационната надеждност в компактни и високотемпературни среди.

Какви са компромисите между преобразуващи и линейни силови модули?

Преобразуващите модули са по-ефективни и подходящи за приложения с висок ток, докато линейните модули осигуряват ниски нива на шум, което ги прави по-добри за чувствителни към шум аналогови среди, но са по-малко енергийно ефективни.