Kako odabrati odgovarajući modul napajanja za jedinice baze

Razumijevanje zahtjeva za napajanje jedinice za obradu signala i dinamiku radnog opterećenja

Pregled jedinice za obradu signala i njenih zahtjeva za napajanje

Najnoviji jedinici za obradu baza podataka zahtijevaju posebno dizajnirane modulе napajanja koji mogu obezbjediti između 48 i 72 volti istosmjernog napona, uz održavanje smetnji u granicama ispod 150 mikrovolti kako bi se očuvala kvaliteta signala. Potrošnja energije znatno varira u zavisnosti od modela, kreće se od približno 80 vati do 350 vati, u zavisnosti od složenosti obrade. Kada se konkretno posmatraju 5G sistemi, prema nedavnim industrijskim izvještajima, oni troše oko 22 posto više energije u vršnim periodima u odnosu na svoje 4G kolege. Ovaj povećani zahtjev postaje posebno uočljiv tokom MIMO operacija i pri obradi ispravljanja grešaka. Moduli napajanja moraju zapravo moći da podnesu 105% od nominalne snage najmanje deset sekundi uzastopno, bez kvara u tim uslovima.

Usklađivanje mogućnosti modula napajanja sa opterećenjem jedinica za obradu baza podataka

Analiza industrije iz 2025. godine otkrila je da 68% modula napajanja za bazu podataka ne usklađuje opterećenje zbog tri ključne pogreške:

• Zanemarivanje skokova u obradi protokola tokom prelaza operacija
• Nedovoljna procjena struja dekodiranja LDPC za 19–31%
• Zanemarivanje kašnjenja od 10–15 ms u topologijama dijeljenja struje

Ova neusklađenost dovodi do padova napona, nestabilnosti takta i povećane stope grešaka u bitovima, pogotovo u dinamičnim uslovima prometa.

Kriteriji performansi u dinamičkim okruženjima obrade signala

Optimalni moduli napajanja moraju zadovoljiti stroge standarde performansi kroz generacije:

Zadovoljavanje pragova za 5G zahtijeva brže kontrolne petlje, precizniju regulaciju i napredne tehnike paralelnog rada.

Studijski slučaj: Fluktuacije snage u 5G jedinicama za obradu signala tijekom maksimalnog protoka

Tijekom terenskog testiranja na instalaciji masivnog MIMO-a na 3,5 GHz, inženjeri su primijetili značajan pad napona od 27% kada su istovremeno koristili modulaciju 256-QAM i formiranje snopa. Postojeći modul za napajanje imao je samo 92 mikrofarada velikih kondenzatora, što nije bilo dovoljno da podnese kratke, ali intenzivne strujne udare koji su dostizali preko 85 ampera u trajanju od oko 8 mikrosekundi. To je uzrokovalo probleme sa stabilnošću takta digitalnog procesora signala i rezultiralo gubitkom oko 12% paketa podataka. Kada su prešli na drugu konfiguraciju koja kombinuje polimerni kondenzator od 470 mikrofarada s četiri fazno povezane faze, situacija se znatno poboljšala. Kapacitet maksimalne struje povećao se skoro tri puta u odnosu na prethodnu vrijednost, a uspjeli su održati relativno visok stepen iskorištenja od 94,1%, čak i pri radu na samo 40% kapaciteta opterećenja.

Dimenzionisanje modula za napajanje: izlazna snaga, strujni udari i smanjenje performansi

Postupak po koracima za izračunavanje ukupnih potreba za izlaznom snagom

Tačno dimenzionisanje modula za napajanje uključuje tri ključna koraka:

1. Zbirni nominalni potrošnja energije jedinice baze kroz sve jezgre DSP-a i I/O interfejse
2. Dodajte marginu od 25–40% radi kompenzacije starenja komponenti i varijacija opterećenja
3. Pomnožite sa 1,5–2x za rezervu u N+1 konfiguracijama

Podaci iz terena pokazuju da je 63% nezadovoljavajućih jedinica baze 2023. godine bilo posljedica nedovoljno preciznih proračuna rezervi snage (Konsorcijum za telekomunikacionu energiju), što ističe važnost konzervativnih početnih procjena.

Uzimanje u obzir kratkotrajnih strujnih skokova u digitalnim kolima baze

Savremeni procesori baze pokazuju milisekundne strujne udare do 200% nominalnog opterećenja tokom demodulacije signala. Ovi prelazni procesi zahtijevaju modul snage sa:

• Brzina preklopa >200 A/µs
• Vrijeme odziva <50 µs
• Tolerancija prenapona ±15%

Studija iz 2023. godine otkrila je da je 38% jedinica 5G baznog frekvencijskog opsega doživjelo prerane kvarove modula napajanja usljed nekontrolisanih strujnih skokova iznad 170A (Izvještaj o bežičnoj infrastrukturi), što ističe potrebu za robusnim projektovanjem odziva na tranzijente.

Korištenje krivih deklasiranja za osiguravanje dugoročne stabilnosti

Vodeći proizvođači sada ugrađuju algoritme za stvarno vrijeme deklasifikacije koji prilagođavaju radne parametre na osnovu senzora temperature i profila opterećenja. Ovaj pristup smanjio je kvarove vezane za temperaturu za 72% kod hibridnih jedinica 4G/5G (Časopis za elektroniku napajanja, 2024).

Efikasnost, termički učinak i integracija hlađenja

Energetska efikasnost kao pokretač termičkog učinka

Moduli za napajanje danas mnogo bolje upravljaju toplotom jer su jednostavno efikasniji. Kada se energija troši nepotrebno, ona prelazi u toplotu, tako da poboljšanje efikasnosti znači manje akumuliranja toplote. Uzmimo na primjer DC-DC prekidačke dizajne – ovi napredni sistemi smanjuju termičke probleme za oko 40 posto u odnosu na stare linearne regulatore. Oni rade sa efikasnošću od 92 do 96 posto, što čini veliku razliku. Jedincima za bazu (baseband) koristi ovaj odnos između efikasnosti i upravljanja toplotom. Zamislite procesor od 80 vati koji radi u jednom od ovih uređaja – može proizvoditi dodatnih 6 do 8 vati toplote ako pretvaranje energije nije baš optimalno. Ova vrsta gubitaka se brzo nakuplja i stvara razne probleme inženjerima koji pokušavaju održati hladniju temperaturu.

Uporedna analiza: Prekidački naspram linearnih modula za napajanje u odvođenju toplote

Temperaturna razlika od 6:1 objašnjava zašto 78% jedinica 5G baznih stanica sada koristi prekidačke arhitekture, unatoč zahtjevima za složenim ublažavanjem talasa.

Usklađenost termalne konstrukcijske snage (TDP) s ograničenjima hlađenja kućišta

Ocjene TDP modula napajanja moraju biti usklađene s najgorim slučajevima opterećenja procesora i okolišnim ograničenjima. Modul sa TDP-om od 300 W u ambijentalnoj temperaturi od 40°C obično zahtijeva:

• rezervu protoka zraka od 25% radi de-ratinga na nadmorskoj visini
• margina od 15% za nakupljanje prašine u vanjskim kućištima
• Aktivno hlađenje sposobno za dislociranje 120CFM po kW toplotnog izlaza

Sistemi koji premašuju ove pragu podliježu termičkom ograničavanju, smanjujući propusnost baze do 22% tokom kontinuirane upotrebe.

Industrijski paradoks: Visoka efikasnost pri djelimičnom opterećenju u odnosu na puno opterećenje

Iako savremeni moduli za napajanje postižu efikasnost od 80% i više pri 20% opterećenja — idealno za jedinice baze sa promjenjivim saobraćajem — njihova performansa pri punom opterećenju često padne ispod konkurencije. Ovaj kompromis stvara razliku u efikasnosti od 13% između dizajna optimizovanih za lako opterećenje i onih fokusiranih na puno opterećenje, prisiljavajući inženjere da daju prioritet operativnoj fleksibilnosti ili vršnoj mogućnosti.

Kompatibilnost ulaznog napona i zaštita integriteta signala

Procjena kompatibilnosti sa postojećim arhitekturama DC distribucije

Prilikom odabira modula za napajanje za postojeće DC distribucione sisteme, važno je uzeti u obzir nivo otpornosti na napon i način raspodjele opterećenja. Većina baznih jedinica radi sa 48V DC sistemima, a zanimljivo je da čak i pad ili skok napona od 5% može potpuno poremetiti protokole sinhronizacije. Prema istraživanju objavljenom prošle godine o komponentama 5G mreže, moduli za napajanje koji mogu obraditi ulazni napon između 40 i 60 volti smanjuju probleme sa kompatibilnošću otprilike za dvije trećine u poređenju sa starijim modelima sa fiksnim opsezima napona. Ovakva fleksibilnost čini veliku razliku u održavanju stabilnih radnih uslova u različitim okruženjima.

Utjecaj nestabilnosti ulaznog napona na integritet signala baznog opsega

Kada naponski talas pređe 120mVpp u modulima napajanja, to zapravo pogoršava situaciju za 256-QAM signale, povećavajući šum faze za oko 18%. To uzrokuje da se vrijednosti EVM smanje ispod zahtjeva propisanih od strane 3GPP standarda, što definitivno nije dobra vijest za sve one koji rade na ovim sistemima. Problem postaje još izraženiji u aplikacijama s milimetarskim talasima, gdje obrada u osnovnom opsegu postaje izuzetno osjetljiva. Prolazni naponski skokovi iznad 2 ampera počinju ometati SERDES kola, uvodeći neželjeni džiter u vremenu koji inženjerima stvara velike probleme. Srećom, noviji dizajni modula počinju rješavati ovaj problem korištenjem aktivnih tehnika filtriranja harmonika. Ova napredna rješenja smanjuju provođeni EMI otprilike za 40% bez značajnog gubitka efikasnosti, održavajući performanse na nivou od oko 95% čak i pri radu na punom kapacitetu.

Odabir optimalnog tipa modula napajanja za aplikacije u osnovnom opsegu

Funkcionalne razlike i slučajevi upotrebe za AC-DC, DC-DC, linearne i prekidačke module

Da bi osnovne jedinice ispravno radile, potrebno je uskladiti specifikacije modula za napajanje sa stvarnim potrebama sistema. AC-DC konvertori su odlični kada je u pitanju naizmjenični napon na ulazu, ali uzrokuju probleme u telekomunikacijskim postavkama gdje većina opreme već radi na 48V istosmjernog napona. Linearni moduli imaju izuzetno nizak nivo buke, ispod 2 mikrovolta RMS, prema istraživanju IEEE-a iz prošle godine, ali gube otprilike polovinu energije, što uopće nije praktično za obradu velikih potreba za snagom u obradi baza. Prekidački dizajni postižu znatno bolje stepene efikasnosti, između 80 i 95 posto, a zauzimaju i manje prostora. Neki noviji modeli DC-DC mogu održavati stabilan izlaz čak i kada mreže 5G mijenjaju opterećenje za 40 posto, kako je navedeno u istraživanju Ponemon Institute-a. Rezonantni dizajni još uvijek nisu široko korišteni u telekomunikacijama, ali rani testovi ukazuju da bi mogli doseći skoro 97 posto efikasnosti tokom kontinuiranog rada, što proizvođače interesuje za buduće primjene.

Zašto DC-DC prekidački moduli dominiraju u modernim baznim jedinicama

Uz brzi rast agregacije 5G kanala, DC-DC prekidački moduli postali su najčešće korišteno rješenje za upravljanje intenzivnim strujnim skokovima od 150A po mikrosekundi koji se javljaju u massive MIMO konfiguracijama. Tradicionalni linearni regulatori ne mogu im prigušiti korak, trošeći oko dvije trećine ulazne snage u obliku toplote pri obradi vršnih opterećenja tokom 256QAM modulacije. Prekidački dizajni koriste potpuno drugačiji pristup. Oni primjenjuju tehnike modulacije širine impulsa koje održavaju efikasnost od oko 92% čak i pri radu između 30% i punog opterećenja. Stvarna prednost postaje očigledna u tim guštnutim kućištima baznih jedinica gdje se temperature često penju na 55 stepeni Celzijusovih. Ovi kompaktni prostori jednostavno ne mogu tolerisati nivo zagrijavanja koji bi starije tehnologije regulatora proizvele u sličnim uslovima.

Kompromisi između linearnosti, šuma i efikasnosti

Inženjeri moraju uravnotežiti tri konkurentne prioritete u baznim sistemima napajanja:

• Bukva : Linearni moduli održavaju odnos signal-šum ispod 50 dB, što je kritično za 64T64R antenske nizove
• Efikasnost : Prekidačke topologije zadržavaju efikasnost od 85% i više, čak i tokom obrade 100G NRZ signala
• Linernost : Hibridni dizajni žrtvuju 5–8% efikasnosti kako bi postigli regulaciju napona od ±0,5% pod opterećenjem

Studija iz 2023. godine otkrila je da 72% uvođenja 5G mreža daje prednost efikasnosti u odnosu na potiskivanje smetnji, koristeći filtriranje nakon regulacije kako bi zadovoljili EMI granice 3GPP-a od -110 dBm/Hz.

Trend: Integracija hibridnih topologija za poboljšanu regulaciju

Mnogi vodeći proizvođači danas počinju kombinovati prethodne regulatorе sa prekidačem i linearnim regulatorima. Ova kombinacija postiže efikasnost sistema od oko 88%, uz zadržavanje nivoa izlaznih oscilacija na približno 10 mVpp. Cijeli hibridni sistem izuzetno dobro funkcioniše za one zahtjevne baza bazirane na milimetarskim talasima koji istovremeno zahtijevaju stabilnu isporuku snage od 400W i preciznost kakvu nude 16-bitni ADC-ovi. Prema nedavnim terenskim testovima koje je objavila MobileTech Insights 2024. godine, korištenjem ove metode javlja se otprilike 43% manje EVM povreda u poređenju sa tradicionalnim dizajnima koji koriste isključivo prekidače. Shodno tome, razumljivo je zašto sve više stručnjaka u industriji prelazi na ovaj pristup kod svojih Open RAN projekata.

Često se postavljaju pitanja

Šta je jedinica za obradu baze?

Jedinica za obradu baze je neophodna u telekomunikacijama za obavljanje zadataka obrade signala. Koristi posebno dizajnirane modulе napajanja kako bi isporučile specifične naponske i energetske potrebe, istovremeno održavajući nizak nivo šuma radi visokog kvaliteta signala, pogotovo u naprednim tehnologijama poput 5G.

Zašto 5G sistemi troše više energije od 4G?

5G sistemi koriste više energije u odnosu na 4G zbog poboljšanih funkcija poput MIMO operacija i ispravljanja grešaka, što nameće veća opterećenja na module napajanja, što dovodi do povećane potrošnje energije.

Kako neusklađenosti u mogućnostima modula napajanja utiču na jedinice baze?

Nedosljednosti, kao što su ignorisanje vršnih opterećenja pri obradi protokolnog steka ili potcenjivanje LDPC dekodiranja, rezultiraju padom napona i nestabilnošću takta, čime se povećava stopa grešaka u bitovima pod dinamičkim saobraćajnim uslovima.

Koliko je važan dizajn prelazne karakteristike u modulima napajanja?

Projektovanje odziva na tranzijente je kritično za upravljanje strujnim prenaponima u trajanju od milisekunde koji mogu dovesti do preranog otkaza modula napajanja, posebno u zahtjevnim 5G okruženjima sa visokim vrhovima iznad 170A.

Zašto se DC-DC prekidački moduli preferiraju u 5G baznim aplikacijama?

DC-DC prekidački moduli efikasno upravljaju visokim strujnim prenaponima karakterističnim za 5G aplikacije, nudeći veću efikasnost u poređenju sa tradicionalnim linearnim regulatorima, a ključni su za održavanje operativne pouzdanosti u kompaktnim i visokotemperaturnim okruženjima.

Koje su kompromise između prekidačkih i linearnih modula napajanja?

Prekidački moduli su efikasniji i pogodniji za visokostrujne aplikacije, dok linearni moduli nude nizak nivo buke, što je bolje za analogna okruženja osjetljiva na smetnje, ali su manje energetski efikasni.