Como escoller módulos de alimentación enerxicamente eficientes para BTS?

Comprender os requisitos dos módulos de potencia para estacións base nas redes 5G

Por que as cargas de traballo das estacións base transceptoras requiren eficiencia dinámica de potencia

A carga de traballo nas estacións base 5G varía bastante, oscilando dende uns 300 vatios cando están inactivas ata máis de 1500 vatios durante os períodos de maior afluencia. Isto ten un efecto directo no custo de explotación destas estacións e na súa repercusión ambiental. As configuracións de rede máis antigas distribúen as súas necesidades de enerxía de forma distinta en comparación coa tecnoloxía 5G, que depende fortemente das sinais de onda milimétrica e esas grandes matrices de antenas coñecidas como Massive MIMO. Estas tecnoloxías máis novas concentran a maior parte do consumo de enerxía en compoñentes específicos, coñecidos como unidades de radiofrecuencia ou AAU (por as súas siglas en inglés), e estes compoñentes consumen máis da metade da electricidade empregada en cada localización. Cando estas fontes de alimentación non funcionan á súa capacidade máxima, tamén tenden a desperdiciar moita enerxía: pode perderse ata un 40 % cando as condicións non son óptimas. Por iso, os módulos de alimentación actuais deben axustar os seus niveis de eficiencia segundo as condicións reais mediante algún tipo de sistema de supervisión en tempo real. Deben reducir o consumo de enerxía durante eses períodos de baixa actividade, pero seguir estando preparados para pasar á máxima potencia sempre que se produza un aumento imprevisto da demanda de capacidade de rede.

Restricións térmicas e fiabilidade: Como a temperatura de unión afecta á vida útil do módulo de potencia

A temperatura de unión desempeña un papel fundamental na determinación da duración dos módulos de potencia. Para os semicondutores, cada aumento de 10 graos Celsius por riba dos 100 graos reduce a súa esperanza de vida á metade. As estacións base compactas 5G supoñen retos particulares para os compoñentes de GaN e SiC, xa que xeran unha tensión térmica significativa. O procesamento de sinais de alta frecuencia combinado cunha conversión de voltaxe ineficiente crea problemas, especialmente cando os métodos pasivos de refrigeración alcanzan os seus límites. Esta situación acelera os problemas de electromigración e fai que os materiais se desgasten máis rapidamente. Segundo os datos obtidos no campo, os módulos de potencia que funcionan a temperaturas superiores a 125 graos Celsius experimentan aproximadamente un 35 % máis de fallos por ano en comparación cos que se mantén dentro das gamas de temperatura seguras. Cando as empresas implementan estratexias intelixentes de xestión térmica, como deseños mellorados de disipadores de calor e sistemas de refrigeración por aire forzado, normalmente reducen as temperaturas nos puntos quentes unhas 22 graos de media. Estas melloras non só protexen os compoñentes, senón que tamén reducen os requisitos enerxéticos de refrigeración en aproximadamente un 18 % cada ano. Encontrar este equilibrio axeitado entre rendemento e control da temperatura permanece crítico se queremos que estes sistemas operen de forma fiable durante períodos prolongados sen custos de mantemento excesivos.

Avaliar a eficiencia do módulo de potencia en distintos estados operativos reais das estacións base

Medición de perfís dinámicos de potencia: en repouso, carga parcial e carga máxima empregando as referencias 3GPP TR 36.814

Para saber verdadeiramente se un módulo de potencia funciona ben, temos que probalo a través dos tres principais estados operativos BTS recoñecidos pola industria: cando está simplemente parado sen facer nada (modo inactivo), funcionando a niveis medios entre o 40 e o 70 % da súa capacidade (carga parcial) e ao máximo, coa súa capacidade total do 100 % para o usuario (carga máxima). Existe unha norma chamada 3GPP TR 36.814 que nos ofrece boas referencias para crear escenarios realistas de tráfico 5G. E adiviña? As diferenzas no consumo enerxético entre estes modos poden superar o 60 %, o que é bastante significativo. Cando o sistema está en modo inactivo, os módulos eficientes mantén as funcións de control esenciais pero non extraen demasiada corrente, reducindo así a enerxía desperdicada en repouso. As probas en carga parcial amósannos ata que punto a regulación de voltaxe responde ben aos pequenos picos de potencia sen causar perdas por conmutación excesivas. Na carga máxima, buscamos problemas como a limitación térmica (thermal throttling) e os problemas de conversión, xa que os deseños deficientes poden chegar a desperdicidar máis de 300 vatios cada hora só por estar en marcha. As simulacións especiais «Hardware-in-the-Loop» axudan a comprobar a estabilidade cando ocorren cambios repentinos, evitando sobretensións que afecten negativamente ao rendemento radio. Pasar por todos estes distintos estados garante que os módulos funcionen de maneira eficiente nas redes reais, algo que afecta directamente aos custos operativos e evita que o equipamento se sobrecalenten.

Avaliar as características de xestión de enerxía a nivel de hardware nos módulos de enerxía BTS

Os módulos de enerxía modernos das estacións base transceptoras integran características de hardware específicas para satisfacer as demandas dinámicas de enerxía do 5G, equilibrando resposta, eficiencia e resistencia térmica.

Rendemento do modo de suspensión: latencia fronte a aforros enerxéticos nos módulos de enerxía baseados en GaN

A tecnoloxía de nitruro de galio permite unha conmutación rápida entre os estados activos e de suspensión de baixo consumo, o que axuda a reducir a enerxía desperdicada cando as estacións base de transmisión non están transmitindo sinais de forma activa. Non obstante, hai un inconveniente. Cando os sistemas entran en modo de suspensión profunda poden aforrar aproximadamente o 70 % de enerxía, pero logo tardan uns 5 a 8 milisegundos en reactivarse. Por outro lado, manter os sistemas en modo de suspensión lixeira mantén tempos de resposta case instantáneos (inferiores a un milisegundo), pero non aforra tanta enerxía. Todas estas conmutacións constantes entre estados elevan, de feito, a temperatura dos compoñentes debido aos ciclos repetidos de aquecemento e arrefriamento, o que tamén é negativo para a fiabilidade a longo prazo. Os operadores de rede deben decidir como configurar estes parámetros de suspensión segundo o que resulte máis importante na súa situación particular. Algúns poderían priorizar respostas extremadamente rápidas para servizos de comunicación ultrareliable de baixa latencia e crítica para a misión, mentres que outros, que operan torres con grandes áreas de cobertura, probablemente darán máis importancia ao máximo aforro enerxético posíbel, mesmo que isto implique tempos de arranque lixeiramente máis lentos.

Técnicas de Escalado Adaptable de Voltaxe e Desconto de Potencia para unha Redución Máxima do 22%

A escala dinámica de voltaxe e frecuencia, ou DVFS para abreviar, funciona axustando constantemente a cantidade de enerxía que se envía aos procesadores en función do que están facendo en cada momento. Este sistema tamén antecipa as cargas de traballo, polo que coñece cando haberá períodos de inactividade no tráfico de datos e pode reducir de forma segura os niveis de voltaxe neses momentos, ahorando arredor dun 12 % ata un 18 % de enerxía no conxunto. Combinar isto cunha técnica chamada desconto de potencia mellora aínda máis os resultados. O desconto de potencia consiste en realizar caídas mínimas de voltaxe, de tan só microsegundos de duración, durante eses breves instantes nos que o procesador non está ocupado. Esta combinación reduce o consumo máximo de potencia ata un 22 % en algúns casos. Para as cidades repletas de servidores e equipamento, este tipo de medidas de eficiencia integradas ten moita importancia. As solucións tradicionais de refrigeración xa non son suficientes en moitas situacións, pois ou ocupan demasiado espazo ou simplemente resultan demasiado caras para instalalas adecuadamente.

Comparar estratexias de aforro enerxético ao nivel do módulo para unha implantación sustentable de BTS

Desglosar as estratexias de aforro enerxético en compoñentes modulares fai que as estacións base transceptoras sexan moito máis ecolóxicas no seu conxunto. Cando os enxeñeiros separan elementos como conversores CC-CC, controladores dixitais e unidades de xestión térmica, obtéñense a oportunidade de axustar con precisión cada parte de forma individual, algo que simplemente non é posible cos sistemas tradicionais todo-nun. Tomemos, por exemplo, a xestión escalonada da enerxía: os subcontroladores locais encárganse da eficiencia a nivel de módulo mediante técnicas como axustar automaticamente os momentos nos que os módulos entran en modo de suspensión. Ao mesmo tempo, un controlador principal supervisa o equilibrio da enerxía en todo o sistema. Segundo algunhas probas de campo realizadas pola GSMA en 2023, esta configuración reduce o consumo innecesario de enerxía durante os períodos de inactividade en torno ao 19 %. Manter cada módulo de enerxía illado termicamente impide que o calor se propague por todo o equipo. Isto significa que se requiren solucións de refrigeración menos agresivas, o que reduce os custos de refrigeración en aproximadamente un 30 %. A capacidade de escalar os compoñentes de forma independente é outra gran vantaxe para a planificación a longo prazo. Os operadores de rede non teñen que substituír sistemas completos cando certas partes comezan a ter dificultades baixo cargas elevadas; poden simplemente substituír esas zonas problemáticas, como os conversores para cargas máximas. Ao longo de dez anos, isto aforra entre 8 e 12 toneladas de residuos electrónicos por localización. Todas estas melloras supoñen hardware de maior duración, menores pegadas de carbono e unha mellor preparación para facer fronte ás novas demandas enerxéticas que irán xurdindo co avance da tecnoloxía 5G.