संचार प्रणालियों की विश्वसनीयता पर पावर मॉड्यूल का क्या प्रभाव पड़ता है?

पावर मॉड्यूल दक्षता और संचार प्रणाली स्थिरता पर इसका प्रभाव

पावर मॉड्यूल दक्षता सिग्नल इंटेग्रिटी को कैसे प्रभावित करती है

पावर मॉड्यूल की दक्षता स्तर का संचार प्रणालियों की विश्वसनीयता पर वास्तविक प्रभाव पड़ता है, मुख्य रूप से क्योंकि यह विद्युत शोर के स्तर और ऊष्मा उत्पादन दोनों को प्रभावित करता है। जब ये मॉड्यूल 90% से कम दक्षता पर काम करते हैं, तो हाल ही में IEEE के कुछ अनुसंधान के अनुसार वे लगभग 40% अधिक हार्मोनिक विकृति उत्पन्न करते हैं। यह अतिरिक्त विकृति 5G बेस स्टेशन जैसे उपकरणों में सिग्नल गुणवत्ता को प्रभावित करती है, जिससे सिग्नल को स्पष्ट रखना मुश्किल हो जाता है। पैकेट नुकसान बहुत अधिक आम हो जाते हैं, खासकर उन उच्च आवृत्ति mmWave नेटवर्क में जो हम अब हर जगह देख रहे हैं। एक बड़ी दूरसंचार कंपनी ने वास्तव में अपने सिग्नल त्रुटि दर में लगभग दो तिहाई की कमी देखी जब उसने पुराने उपकरणों को 94% दक्षता पर काम करने वाले नए मॉड्यूल से बदल दिया। यहाँ मुख्य बात बहुत सीधी है: यदि हम अपने डेटा संचरण को भ्रष्टाचार के बिना बनाए रखना चाहते हैं, तो साफ बिजली आपूर्ति प्राप्त करना वास्तव में महत्वपूर्ण है।

केस अध्ययन: औद्योगिक परिवेश में नेटवर्क आउटेज के कारण पावर मॉड्यूल की विफलता

2022 में एक प्रमुख कार भाग निर्माता को अपने स्मार्ट फैक्ट्री फ्लोर पर पुराने पावर मॉड्यूल के विफल होने के कारण 14 घंटे के विनाशकारी नेटवर्क आउटेज का सामना करना पड़ा, जिससे उन्हें लगभग दो मिलियन डॉलर का नुकसान हुआ। इसमें क्या गलत हुआ, इसकी जांच करने पर पता चला कि समस्याएं छोटी थीं लेकिन तेजी से बढ़ गईं। पूरी समस्या एसी से डीसी कन्वर्टर से वोल्टेज में गिरावट के साथ शुरू हुई, जो केवल 72% दक्षता पर चल रहा था। फिर चीजें और अधिक बिगड़ गईं क्योंकि संचार में देरी 800 मिलीसेकंड तक पहुंच गई, इससे पूरा पीएलसी सिस्टम अंततः पूरी तरह से बंद हो गया। सब कुछ ठीक करने में 1.8 लाख डॉलर से अधिक की लागत आई क्योंकि मुद्रित सर्किट बोर्ड लंबे समय तक अत्यधिक गर्मी में रहने के कारण पिघल गए थे। यह घटना दुनिया भर के निर्माताओं के लिए एक स्पष्ट चेतावनी के रूप में काम करती है कि महत्वपूर्ण संचालन के लिए उपकरण पर भरोसा करने से पहले उनकी वास्तविक दक्षता की जांच करने के लिए बाहरी विशेषज्ञों को क्यों लाना चाहिए।

प्रवृत्ति: दूरसंचार प्रणालियों में उच्च दक्षता वाले GaN और SiC पावर मॉड्यूल को अपनाना

दक्षता, ऊष्मा और स्थान सीमाओं को दूर करने के लिए टेलीकॉम उद्योग तेजी से GaN (गैलियम नाइट्राइड) और SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) पावर मॉड्यूल अपना रहा है:

वेरिज़न के वर्ष 2024 में 15,000 सेल टावरों पर GaN-आधारित रेक्टिफायर की तैनाती ने वार्षिक ऊर्जा लागत में 8.7 मिलियन डॉलर की कमी की और 4G/5G हैंडऑफ़ क्षेत्रों में सिग्नल स्थिरता में सुधार किया।

रणनीति: मिशन-क्रिटिकल संचार नोड्स के लिए त्रुटि-सहिष्णु बिजली आपूर्ति का डिज़ाइन करना

आधुनिक त्रुटि-सहिष्णु डिज़ाइन तीन प्रमुख तकनीकों को एकीकृत करते हैं:

1. चरण-अंतर्विरोध (फेज-इंटरलीविंग): बहु-मॉड्यूल सेटअप में धारा तनाव को 55% तक कम करता है
2. गतिशील भार साझाकरण: मॉड्यूल विफलता के दौरान <5% भार असंतुलन बनाए रखता है
3. पूर्वानुमानिक विश्लेषण: मशीन लर्निंग मॉडल संधारित्र के क्षय का 600 घंटे पहले पता लगा सकते हैं

एक अस्पताल नेटवर्क ने इन रणनीतियों का उपयोग करके आपातकालीन संचार के लिए 99.9999% बिजली उपलब्धता प्राप्त की, और अनुकरणित बिजली आउटेज के दौरान स्वचालित फेलओवर 2ms से कम समय में पूरा हो गया।

बिजली मॉड्यूल और संचार सर्किट के बीच विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का प्रबंधन

पावर मॉड्यूल में ईएमआई उत्पादन की समझ और ज़िगबी संचार पर इसका प्रभाव

डीसी-डीसी कनवर्टर और वोल्टेज रेगुलेटर के अंदर उच्च आवृत्ति वाले स्विच के कारण पावर मॉड्यूल मुख्य रूप से विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप उत्पन्न करते हैं। समस्या यह है कि यह हस्तक्षेप दो तरीकों से फैलता है: यह तारों के साथ संचालित होता है और स्थान में विकिरण भी करता है, जिससे 2.4 गीगाहर्ट्ज बैंड पर काम करने वाली ज़िगबी डिवाइस जैसी चीजों के संकेत खराब हो जाते हैं। पिछले साल प्रकाशित कुछ शोध के अनुसार, लगभग आधे सभी एम्बेडेड सिस्टम पहले दौर के ईएमआई परीक्षण में असफल हो गए क्योंकि उनकी पावर सप्लाई पर उचित फ़िल्टरिंग का अभाव था। जब विशेष रूप से ज़िगबी नेटवर्क की बात आती है, तो हम देख रहे हैं कि जब इन पावर मॉड्यूल को ठीक से फ़िल्टर नहीं किया जाता है तो कभी-कभी पैकेट नुकसान 15% से अधिक हो जाता है। वास्तविक दुनिया की स्थितियों में आईओटी डिवाइस के प्रदर्शन को इस तरह का विघटन वास्तव में नुकसान पहुंचाता है।

घने इलेक्ट्रॉनिक वातावरण में ईएमआई शील्डिंग के लिए सर्वोत्तम प्रथाएं

प्रभावी ईएमआई शमन के लिए परतदार दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है:

• तांबा-एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं से बने चालक आवरण प्रदान करते हैं 60–80 डीबी असर 6 गीगाहर्ट्ज़ तक
• फेराइट चोक 1–100 मेगाहर्ट्ज़ के दायरे में सामान्य-विधा शोर को कम करते हैं 20 डेसीबल 1–100 मेगाहर्ट्ज़ के दायरे में
• अनुकूलित पीसीबी लेआउट लूप क्षेत्रों को काटता है 40%, युग्मन को न्यूनतम करते हुए

प्रमुख ईएमसी शोधकर्ताओं द्वारा पीसीबी लेआउट अनुकूलन में हाल के शोध में दिखाया गया है कि 5जी बेस स्टेशन डिज़ाइन में भू-संपर्कित तांबे के डालाव के साथ बिजली और सिग्नल परतों को अलग करने से संधारित्र युग्मन 35% तक कम हो जाता है।

पावर मॉड्यूल डिज़ाइन में लघुकरण और विद्युत चुम्बकीय सुसंगतता का संतुलन

लघुकरण संधारित्र युग्मन को बढ़ाकर अधिक तंग स्पेसिंग के कारण ईएमआई के जोखिम को बढ़ा देता है 30–50%पारंपरिक लेआउट की तुलना में। उन्नत समाधानों में शामिल हैं:

अब विकिरण-कठोर मॉड्यूल स्थानीय शील्डिंग कैप और 0.1 मिमी के परावैद्युत अंतरालक शामिल करते हैं, जो 15 मिमी³ से कम के पैकेज में MIL-STD-461G अनुपालन प्राप्त करते हैं, 15 मिमी³ , जिससे वे उपग्रह ट्रांसीवर और अन्य संकुचित संचार प्रणालियों के लिए आदर्श बन जाते हैं।

पर्यावरणीय तनाव: थर्मल, विकिरण और यांत्रिक चुनौतियाँ बिजली मॉड्यूल के लिए

मिशन-आधारित महत्वपूर्ण प्रणालियों में पावर मॉड्यूल्स चरम पर्यावरणीय स्थितियों के तहत त्वरित अवक्षय का सामना करते हैं। दीर्घकालिक विश्वसनीयता को खतरे में डालने वाले तीन प्राथमिक तनावकारक हैं:

उच्च तापमान और तापीय चक्रण के तहत पावर मॉड्यूल्स में अवक्षय के तंत्र

-40°C से 125°C के बीच तापमान में उतार-चढ़ाव संचयी क्षति का कारण बनता है:

• सोल्डर जोड़ की थकान (थर्मल रूप से प्रेरित विफलताओं के 38% के लिए उत्तरदायी)
• संधारित्रों में इलेक्ट्रोलाइट का वाष्पीकरण
• थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री का अलगाव

उद्योग के आंकड़ों के अनुसार, दैनिक तापीय चक्रण के संपर्क में आने वाले मॉड्यूल स्थिर वातावरण वाले मॉड्यूल की तुलना में 3.2× तेजी से विफल होते हैं।

पावर आईसी में विकिरण-प्रेरित विफलताएँ और डेटा संचरण पर उनका प्रभाव

आयनीकरण विकिरण दो प्रमुख विफलता मोड का कारण बनता है:

1. सिंगल-इवेंट लैच-अप (SEL): वोल्टेज नियमन को अक्षम करने वाले शॉर्ट सर्किट उत्पन्न करता है
2. कुल आयनीकरण खुराक (TID): MOSFET ड्राइव क्षमता में 15–60% तक कमी के साथ धीरे-धीरे गिरावट

इन प्रभावों के कारण डिजिटल संचार में समय संबंधी त्रुटियाँ आती हैं, जिसमें X-बैंड रडार प्रणालियों में गैर-विकिरण-कठोर शक्ति IC के उपयोग करने पर बिट त्रुटि दर में 22% की वृद्धि देखी गई।

केस अध्ययन: परमाणु ऊर्जा संयंत्र दुर्घटनाओं में संचार उपकरण का प्रदर्शन

2023 में आपातकालीन संचार उपकरण के तनाव परीक्षण के दौरान, मानक शक्ति मॉड्यूल 50 krad/घंटा गामा विकिरण के तहत 72 घंटे के भीतर विफल हो गए। इसके विपरीत, सिलिकॉन-ऑन-इंसुलेटर (SOI) तकनीक का उपयोग करने वाले विकिरण-कठोर डिज़ाइन 30 दिन के परीक्षण में 94% दक्षता बनाए रखे, जो परमाणु दुर्घटना प्रतिक्रिया के दौरान विश्वसनीय संचालन के लिए आवश्यक साबित हुआ।

रणनीति: विकिरण-कठोर और तापीय रूप से प्रतिरोधी शक्ति मॉड्यूल का चयन करना

तीन-स्तरीय चयन ढांचे का उपयोग करें:

1. विकिरण-प्रवण स्थानों के लिए न्यूनतम 100 krad TID सहनशीलता
2. -55°C से +150°C तक थर्मल शॉक प्रमाणन के लिए ≥10,000 चक्र
3. कंपन प्रतिरोध 15g RMS तक (MIL-STD-810H)

कठोर औद्योगिक या एयरोस्पेस वातावरण में तांबे-एल्यूमीनियम संयुक्त आधारपट्टिका और हर्मेटिकली सीलबंद पैकेजिंग वाले मॉड्यूल को प्राथमिकता दें।

गैर-अतिरिक्त शक्ति आर्किटेक्चर में एकल बिंदु विफलता का जोखिम

जिन शक्ति प्रणालियों में अतिरिक्तता का अभाव होता है, वे संचार नेटवर्क के लिए गंभीर समस्याएं पैदा करती हैं। जब कोई घटक विफल हो जाता है, तो अक्सर पूरी प्रणाली में बड़े पैमाने पर बाधा आ जाती है। पोनेमन के 2023 के अनुसंधान के अनुसार, अप्रत्याशित बंद होने से कंपनियों को प्रत्येक वर्ष लगभग 740,000 डॉलर की हानि होती है। पिछले वर्ष, एक स्थानीय सेल फोन कंपनी को उनके एकमात्र बिजली स्रोत के संधारित्र के खराब होने के कारण 14 घंटे का बड़ा आउटेज हुआ, जिससे 12 हजार ग्राहक सेवा से वंचित रह गए। क्षेत्र के अधिकांश विशेषज्ञ सभी नेटवर्क विफलताओं के लगभग तीन चौथाई के लिए खराब बैकअप शक्ति योजना को दोषी मानते हैं। इस बात को उजागर करता है कि आजकल महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे के संचालन करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए मजबूत प्रणाली बनाना सर्वोच्च प्राथमिकता होनी चाहिए।

सिद्धांत: संचार हब के लिए पावर सप्लाई डिज़ाइन में N+1 अतिरिक्तता मॉडल

N+1 अतिरिक्तता प्रणाली मुख्य मॉड्यूल के साथ-साथ एक स्पेयर मॉड्यूल तैयार रखकर काम करती है। बड़ी दूरसंचार कंपनियों की रिपोर्ट्स के अनुसार, बैकअप के बिना की गई प्रणालियों की तुलना में इस व्यवस्था से विफलताओं में लगभग 92% की कमी आती है। पिछले गर्मियों में अरिज़ोना में एक Tier-4 सुविधा का उदाहरण लें। जब जुलाई 2023 में तापमान रिकॉर्ड स्तर पर पहुँच गया, तब उनके सर्वर 99.999% उपलब्धता के साथ ऑनलाइन रहे, क्योंकि प्राथमिक हार्डवेयर के ओवरहीट होने पर वे स्वचालित रूप से बैकअप मॉड्यूल में स्विच हो गए। अधिकांश विशेषज्ञों का सहमति है कि महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे की परियोजनाओं के लिए इस तरह की अतिरिक्तता उचित है। अब हम इसे दूरसंचार नेटवर्क में व्यापक रूप से लागू होते देख रहे हैं, विशेष रूप से जहां 5G उपकरणों की निरंतर निगरानी की आवश्यकता होती है, क्योंकि ये बेस स्टेशन बिना किसी गिरावट के बहुत अधिक ट्रैफ़िक संभालते हैं।

केस अध्ययन: ड्यूल पावर मॉड्यूल का उपयोग करके सेलुलर बेस स्टेशनों में अपटाइम में सुधार

पिछले साल एक यूरोपीय दूरसंचार कंपनी ने लगभग 4,500 टावरों में ड्यूल पावर मॉड्यूल लगाकर आधार स्टेशन की विश्वसनीयता में लगभग 63 प्रतिशत की वृद्धि देखी। जब विद्युत ग्रिड में समस्या होती थी, तो इन बैकअप प्रणालियों ने लगभग 10 में से 8 बार वोल्टेज गिरावट को सफलतापूर्वक संभाला, जिसका अर्थ था कम कॉल ड्रॉप और उन कठिन क्षणों के दौरान डेटा कम खोना। इसके अलावा, इस व्यवस्था ने समग्र रखरखाव कार्य को बहुत अधिक सुचारु बना दिया। तकनीशियन पुराने मॉड्यूल को बदल सकते थे जबकि सब कुछ सामान्य रूप से चल रहा होता, इसलिए ग्राहकों को बिल्कुल भी कोई डाउनटाइम महसूस नहीं होता था।

निरंतर संचालन के लिए हॉट-स्वैपेबल पावर मॉड्यूल को लागू करना

हॉट-स्वैप योग्य पावर मॉड्यूल खराब इकाइयों के लाइव प्रतिस्थापन की अनुमति देते हैं, जिससे बाधित समय कम से कम होता है। मेट्रो क्षेत्र के नेटवर्किंग उपकरणों के साथ 2023 में किए गए एक परीक्षण में पाया गया कि पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में 40% तेज़ रिकवरी समय आता है जिन्हें पूर्ण शटडाउन की आवश्यकता होती है। जब इस दृष्टिकोण को प्राग्नानिक मॉनिटरिंग प्रणालियों के साथ जोड़ा जाता है, तो यह विफलता होने से पहले ही आयु की सीमा के करीब पहुंच रहे मॉड्यूल की पहचान करके माध्य-मरम्मत-समय (MTTR) को कम कर देता है।