Comment choisir des modules d’alimentation écoénergétiques pour les stations de base (BTS) ?

Comprendre les exigences relatives aux modules d'alimentation des stations de base dans les réseaux 5G

Pourquoi les charges de travail des stations de base transceptrices exigent-elles une efficacité énergétique dynamique

La charge de travail des stations de base 5G varie considérablement, passant d’environ 300 watts lorsqu’elles sont inactives à plus de 1500 watts en période d’activité intense. Cela a un impact direct sur le coût d’exploitation de ces stations ainsi que sur leur empreinte environnementale. Les anciennes configurations réseau répartissent leurs besoins énergétiques différemment par rapport à la technologie 5G, qui repose fortement sur les signaux en ondes millimétriques et sur ces grandes antennes appelées Massive MIMO. Ces technologies plus récentes concentrent la majeure partie de la consommation d’énergie dans des composants spécifiques, désignés sous le nom d’unités radiofréquence (RFU) ou d’unités d’antenne actives (AAU). Ces éléments consomment plus de la moitié de l’électricité utilisée sur chaque site. Lorsque ces alimentations ne fonctionnent pas à pleine capacité, elles gaspillent également beaucoup d’énergie : jusqu’à 40 % de l’énergie peut être perdue lorsque le fonctionnement n’est pas optimal. C’est pourquoi les modules d’alimentation actuels doivent ajuster leur rendement en fonction des conditions en temps réel, grâce à un système de surveillance en continu. Ils doivent réduire leur consommation d’énergie pendant les périodes calmes, tout en restant prêts à passer immédiatement en mode haute performance dès qu’une augmentation imprévue de la demande de capacité réseau se produit.

Contraintes thermiques et fiabilité : comment la température de jonction affecte la durée de vie du module de puissance

La température de jonction joue un rôle majeur dans la détermination de la durée de vie des modules de puissance. Pour les semi-conducteurs, chaque augmentation de 10 degrés Celsius au-delà de 100 degrés réduit de moitié leur espérance de vie. Les stations de base 5G compactes posent des défis particuliers pour les composants en nitrure de gallium (GaN) et en carbure de silicium (SiC), car elles génèrent des contraintes thermiques importantes. Le traitement de signaux à haute fréquence combiné à une conversion de tension inefficace crée des problèmes, notamment lorsque les méthodes de refroidissement passif atteignent leurs limites. Cette situation accélère les phénomènes de migration électromigratoire et provoque une usure plus rapide des matériaux. Selon les données recueillies sur le terrain, les modules de puissance fonctionnant à une température supérieure à 125 degrés Celsius présentent environ 35 % de défaillances supplémentaires par an par rapport à ceux maintenus dans des plages de température sûres. Lorsque les entreprises mettent en œuvre des stratégies intelligentes de gestion thermique — telles que des conceptions améliorées de dissipateurs thermiques et des systèmes de refroidissement par air forcé —, elles parviennent généralement à réduire, en moyenne, la température des points chauds d’environ 22 degrés. Ces améliorations protègent non seulement les composants, mais réduisent également les besoins énergétiques liés au refroidissement d’environ 18 % chaque année. Trouver le juste équilibre entre performances et maîtrise de la température demeure essentiel si l’on souhaite que ces systèmes fonctionnent de manière fiable sur de longues périodes, sans coûts de maintenance excessifs.

Évaluer l'efficacité du module de puissance dans les états réels de fonctionnement des stations de base (BTS)

Mesure des profils dynamiques de puissance : veille, charge partielle et charge maximale à l’aide des références 3GPP TR 36.814

Pour vraiment savoir si un module d’alimentation fonctionne correctement, nous devons le tester dans les trois états de fonctionnement BTS principaux reconnus par l’industrie : lorsqu’il est simplement au repos, sans effectuer aucune tâche (état inactif), lorsqu’il fonctionne à des niveaux intermédiaires, entre 40 et 70 % de sa capacité (charge partielle), et lorsqu’il est sollicité à pleine capacité utilisateur, soit 100 % (charge maximale). Il existe une norme, la 3GPP TR 36.814, qui fournit des références fiables pour élaborer des scénarios réalistes de trafic 5G. Et devinez quoi ? Les différences de consommation énergétique entre ces modes peuvent dépasser 60 %, ce qui est assez significatif. Lorsque le système est inactif, les modules efficaces maintiennent les fonctions de commande essentielles tout en tirant très peu de courant, réduisant ainsi les pertes d’énergie à l’arrêt. Les essais en charge partielle permettent d’évaluer la qualité de la régulation de tension face aux petites pointes de puissance, sans engendrer trop de pertes par commutation. En charge maximale, nous recherchons des problèmes tels que le throttling thermique ou des défauts de conversion, car des conceptions médiocres peuvent gaspiller plus de 300 watts chaque heure, même à l’arrêt. Des simulations spécifiques en boucle fermée avec matériel (Hardware-in-the-Loop) permettent de vérifier la stabilité du système face à des changements soudains, évitant ainsi les dépassements de tension qui nuisent aux performances radio. Tester tous ces états différents garantit que les modules fonctionnent efficacement dans des réseaux réels, ce qui a un impact direct sur les coûts d’exploitation et prévient la surchauffe des équipements.

Évaluer les fonctionnalités de gestion de l’alimentation au niveau matériel dans les modules d’alimentation BTS

Les modules d’alimentation modernes des stations de base émettrices-réceptrices intègrent des fonctionnalités matérielles dédiées afin de répondre aux besoins dynamiques en puissance de la 5G — assurant ainsi un équilibre entre réactivité, efficacité et résilience thermique.

Performances du mode veille : latence contre économies d’énergie dans les modules d’alimentation à base de nitrure de gallium (GaN)

La technologie nitrure de gallium permet une commutation rapide entre les états actif et veille à faible consommation, ce qui contribue à réduire l’énergie gaspillée lorsque les stations de base ne transmettent pas activement de signaux. Toutefois, il y a un inconvénient : lorsqu’un système passe en mode veille profonde, il peut économiser environ 70 % d’énergie, mais nécessite ensuite environ 5 à 8 millisecondes pour se réactiver complètement. À l’inverse, maintenir le système en veille légère garantit des temps de réponse quasi instantanés, inférieurs à une milliseconde, mais permet une économie d’énergie moindre. En outre, ces commutations constantes entre états font augmenter la température des composants en raison des cycles successifs de chauffage et de refroidissement, ce qui nuit également à la fiabilité à long terme. Les opérateurs de réseau doivent donc déterminer comment paramétrer ces modes de veille en fonction des priorités propres à leur situation spécifique. Certains privilégieront des temps de réponse extrêmement rapides pour les services de communication critiques, ultra fiables et à très faible latence, tandis que d’autres, exploitant des antennes couvrant de vastes zones géographiques, accorderont probablement une importance plus grande à l’économie maximale d’énergie, même si cela implique des temps de démarrage légèrement plus longs.

Techniques d’adaptation de la tension et de réduction de la puissance permettant une réduction maximale de 22 %

La mise à l'échelle dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS, pour Dynamic Voltage-Frequency Scaling) fonctionne en ajustant constamment la puissance fournie aux processeurs en fonction de leur charge de travail réelle à tout instant. Ce système anticipe également les charges de travail afin de détecter les périodes de faible activité dans le trafic de données et d’abaisser en toute sécurité les niveaux de tension à ces moments-là, permettant ainsi une économie d’énergie globale de l’ordre de 12 à 18 %. L’association de cette technique avec ce qu’on appelle la « réduction de puissance » améliore encore davantage les performances. La réduction de puissance consiste à appliquer des baisses minimes de tension, de durée inférieure à la microseconde, pendant les brefs instants où le processeur n’est pas sollicité. Cette combinaison peut réduire la puissance crête jusqu’à 22 % dans certains cas. Pour les villes densément équipées de serveurs et d’infrastructures informatiques, de telles mesures d’efficacité intégrées revêtent une importance considérable. Les solutions de refroidissement traditionnelles ne sont plus adaptées dans de nombreuses situations, car elles occupent soit trop d’espace, soit coûtent tout simplement trop cher à installer correctement.

Comparer les stratégies d’économie d’énergie au niveau du module pour un déploiement durable des stations de base (BTS)

Décomposer les approches d'économie d'énergie en composants modulaires rend les stations de base émettrices-réceptrices globalement beaucoup plus écologiques. Lorsque les ingénieurs isolent des éléments tels que les convertisseurs continu-continu (DC-DC), les contrôleurs numériques et les unités de gestion thermique, ils peuvent optimiser finement chaque partie individuellement — une possibilité qui n'existe tout simplement pas avec les systèmes traditionnels tout-en-un. Prenons l'exemple de la gestion hiérarchisée de l'alimentation : des sous-contrôleurs locaux assurent l'efficacité au niveau du module grâce à des techniques telles que le réglage automatique des périodes de veille des modules. Parallèlement, un contrôleur principal gère l'équilibrage de la puissance à l'échelle de l'ensemble du système. Selon certains essais sur le terrain menés par la GSMA en 2023, cette configuration réduit de près de 19 % l'énergie gaspillée pendant les périodes d'inactivité. L'isolation thermique individuelle de chaque module d'alimentation empêche également la propagation de la chaleur dans l'ensemble de l'équipement. Cela permet de recourir à des solutions de refroidissement moins énergivores, ce qui réduit les coûts de refroidissement d'environ 30 %. La possibilité de faire évoluer les composants séparément constitue un autre avantage majeur pour la planification à long terme. Les opérateurs de réseau n'ont pas besoin de remplacer l'intégralité des systèmes lorsque certaines parties commencent à peiner sous des charges élevées : ils peuvent simplement remplacer uniquement les zones problématiques, comme les convertisseurs destinés aux pics de charge. Sur une période de dix ans, cela permet d'éviter la production de 8 à 12 tonnes de déchets électroniques par site. L'ensemble de ces améliorations se traduit par une durée de vie accrue du matériel, une empreinte carbone réduite et une meilleure préparation face aux nouvelles exigences énergétiques liées à l'évolution des technologies 5G.