बेसबैंड यूनिट के लिए सही पावर मॉड्यूल का चयन कैसे करें

बेसबैंड यूनिट की पावर आवश्यकताओं और कार्यभार गतिशीलता की समझ

बेसबैंड प्रोसेसिंग यूनिट और उसकी पावर आवश्यकताओं का अवलोकन

नवीनतम बेसबैंड प्रोसेसिंग इकाइयों को विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए पावर मॉड्यूल की आवश्यकता होती है जो 48 से 72 वोल्ट डीसी आपूर्ति कर सकें और सिग्नल गुणवत्ता बनाए रखने के लिए लहर शोर 150 माइक्रोवोल्ट से कम रख सकें। विभिन्न मॉडलों में पावर खपत काफी भिन्न होती है, जो प्रोसेसिंग की जटिलता के आधार पर लगभग 80 वाट से लेकर 350 वाट तक हो सकती है। विशेष रूप से 5G प्रणालियों को देखते हुए, हाल की उद्योग रिपोर्टों के अनुसार, ये अपने 4G समकक्षों की तुलना में चरम समय में लगभग 22 प्रतिशत अधिक ऊर्जा खींचती हैं। यह बढ़ी हुई मांग विशेष रूप से MIMO संचालन के दौरान और त्रुटि सुधार को संभालते समय स्पष्ट रूप से दिखाई देती है। उन स्थितियों में विफल न होने के लिए पावर मॉड्यूल वास्तव में अपनी रेटिंग के 105% तक के भार को लगातार कम से कम दस सेकंड तक संभालने में सक्षम होने चाहिए।

बेसबैंड इकाई कार्यभार के साथ पावर मॉड्यूल क्षमताओं का मिलान करना

2025 के एक उद्योग विश्लेषण में पता चला कि तीन महत्वपूर्ण लापरवाहियों के कारण 68% बेसबैंड पावर मॉड्यूल कार्यभार मिलान में विफल रहते हैं:

• हैंडओवर ऑपरेशन के दौरान प्रोटोकॉल स्टैक प्रोसेसिंग स्पाइक्स को नजरअंदाज करना
• LDPC डीकोडिंग करंट का 19–31% तक कम अनुमान लगाना
• करंट-शेयरिंग टोपोलॉजी में 10–15ms की देरी को नजरअंदाज करना

ये असंगतियाँ वोल्टेज ड्रूप, क्लॉक अस्थिरता और बिट त्रुटि दर में वृद्धि का कारण बनती हैं, विशेष रूप से गतिशील ट्रैफ़िक की स्थिति के तहत।

गतिशील सिग्नल प्रोसेसिंग वातावरण में प्रदर्शन मानदंड

इष्टतम पावर मॉड्यूल को पीढ़ियों के आधार पर कठोर प्रदर्शन मानकों को पूरा करना चाहिए:

5G दहलीज़ को पूरा करने के लिए तेज नियंत्रण लूप, कड़े विनियमन और उन्नत समानांतर तकनीकों की आवश्यकता होती है।

केस अध्ययन: उच्चतम थ्रूपुट के दौरान 5G बेसबैंड इकाइयों में शक्ति में उतार-चढ़ाव

3.5 गीगाहर्ट्ज़ मैसिव माइमो स्थापना पर क्षेत्र परीक्षण के दौरान, इंजीनियरों ने 256-क्यूएएम मॉड्यूलेशन और बीमफॉर्मिंग दोनों को एक साथ चलाते समय वोल्टेज में 27% की महत्वपूर्ण गिरावट देखी। मौजूदा पावर मॉड्यूल में केवल 92 माइक्रोफैराड की बल्क कैपेसिटेंस थी, जो 85 एम्पीयर से अधिक के उन संक्षिप्त लेकिन तीव्र करंट सर्ज को संभालने के लिए पर्याप्त नहीं थी जो लगभग 8 माइक्रोसेकंड के लिए हिट हुए। इससे डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर की घड़ी की स्थिरता में समस्या हुई और लगभग 12% डेटा पैकेट खो गए। जब उन्होंने 470 माइक्रोफैराड पॉलीमर कैपेसिटर्स और चार फेज इंटरलीविंग के संयोजन वाली एक अलग सेटअप पर स्विच किया, तो स्थिति में काफी सुधार हुआ। शिखर करंट क्षमता पिछले स्तर की तुलना में लगभग तीन गुना तक बढ़ गई, और फिर भी वे 40% लोड क्षमता पर संचालन करते समय भी 94.1% की उच्च दक्षता बनाए रखने में सफल रहे।

पावर मॉड्यूल का आकार निर्धारण: आउटपुट पावर, करंट स्पाइक्स, और डीरेटिंग

कुल आउटपुट पावर आवश्यकताओं की गणना के लिए चरण दर चरण विधि

सटीक पावर मॉड्यूल आकार निर्धारण तीन मुख्य चरणों का अनुसरण करता है:

1. बेसबैंड इकाई की नाममात्र शक्ति खपत का योग सभी DSP कोर और I/O इंटरफ़ेस के माध्यम से
2. 25–40% मार्जिन जोड़ें घटक बुढ़ापे और भार परिवर्तन के अनुकूलन के लिए
3. N+1 कंफ़िगरेशन में निरंतरता के लिए 1.5–2x से गुणा करें n+1 कंफ़िगरेशन में निरंतरता के लिए 1.5–2x से गुणा करें

फ़ील्ड डेटा से पता चलता है कि 2023 में खराब प्रदर्शन वाली 63% बेसबैंड इकाइयों का कारण अपर्याप्त शक्ति हेडरूम गणना थी (दूरसंचार शक्ति कंसोर्टियम), जो सावधानीपूर्वक प्रारंभिक अनुमानों के महत्व को रेखांकित करता है।

डिजिटल बेसबैंड सर्किट में संक्रमणकालीन धारा स्पाइक्स का ध्यान रखना

आधुनिक बेसबैंड प्रोसेसर मिलीसेकंड-स्तर के धारा उछाल दर्शाते हैं, जो नाममात्र भार के 200% तक पहुँच सकते हैं सिग्नल डीमॉड्यूलेशन शिखर के दौरान। इन संक्रमणकाली घटनाओं की मांग होती है निम्नलिखित विशेषताओं वाले पावर मॉड्यूल से:

• स्लू रेट >200 A/µs
• प्रतिक्रिया समय <50 µs
• ओवरशूट सहनशीलता ±15%

एक 2023 के अध्ययन में पाया गया कि 5G बेसबैंड इकाइयों में से 38% ने 170A से ऊपर के अनियंत्रित धारा स्पाइक के कारण पावर मॉड्यूल की समय से पहले विफलता का अनुभव किया (वायरलेस इंफ्रास्ट्रक्चर रिपोर्ट), जो मजबूत संक्रमणकाली प्रतिक्रिया डिज़ाइन की आवश्यकता को उजागर करता है।

दीर्घकालिक स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए डीरेटिंग वक्रों का उपयोग

अग्रणी निर्माता अब वास्तविक समय में डीरेटिंग एल्गोरिदम को एम्बेड करते हैं जो तापमान सेंसर और लोड प्रोफाइल के आधार पर संचालन पैरामीटर को समायोजित करते हैं। इस दृष्टिकोण ने 4G/5G संकर इकाइयों में तापीय-संबंधित विफलताओं को 72% तक कम किया (2024 पावर इलेक्ट्रॉनिक्स जर्नल)।

दक्षता, थर्मल प्रदर्शन और कूलिंग एकीकरण

थर्मल प्रदर्शन को बढ़ावा देने वाली ऊर्जा दक्षता

आज शक्ति मॉड्यूल ऊष्मा का प्रबंधन बहुत बेहतर ढंग से करते हैं क्योंकि वे बस अधिक कुशल हैं। जब ऊर्जा बर्बाद होती है, तो वह ऊष्मा में बदल जाती है, इसलिए दक्षता में सुधार का अर्थ है कम ऊष्मा निर्माण। उदाहरण के लिए DC-DC स्विचिंग डिज़ाइन लें—ये उन्नत प्रणाली पुराने स्कूल के रैखिक नियामकों की तुलना में तापीय समस्याओं को लगभग 40 प्रतिशत तक कम कर देती हैं। वे लगभग 92 से 96 प्रतिशत तक दक्षता के साथ काम करते हैं जो कि एक बड़ा अंतर है। दक्षता और ऊष्मा प्रबंधन के बीच इस संबंध से बेसबैंड इकाइयों को वास्तव में लाभ मिलता है। ऐसी इकाई में 80 वाट के प्रोसेसर के चलने की कल्पना करें—अगर शक्ति रूपांतरण ठीक नहीं है, तो यह 6 से 8 वाट तक की अतिरिक्त ऊष्मा उत्पन्न कर रहा हो सकता है। इस तरह की बर्बादी तेजी से बढ़ जाती है और इंजीनियरों के लिए चीजों को ठंडा रखने की कोशिश में सभी प्रकार की परेशानियाँ पैदा करती है।

ऊष्मा अपव्यय में स्विचिंग बनाम रैखिक शक्ति मॉड्यूल का तुलनात्मक विश्लेषण

6:1 के तापीय अंतर की व्याख्या करता है कि फिर भी जटिल लहर शमन आवश्यकताओं के बावजूद अब 78% 5G बेसबैंड इकाइयों स्विचिंग आर्किटेक्चर का उपयोग क्यों करते हैं।

थर्मल डिज़ाइन पावर (TDP) को एन्क्लोजर कूलिंग सीमाओं के साथ संरेखित करना

पावर मॉड्यूल TDP रेटिंग्स को अधिकतम प्रसंस्करण भार और पर्यावरणीय सीमाओं दोनों के अनुरूप होना चाहिए। 40°C के वातावरणीय तापमान में 300W TDP मॉड्यूल की आमतौर पर आवश्यकता होती है:

• ऊंचाई के अनुसार डेरेटिंग के लिए 25% वायु प्रवाह आरक्षित
• खुले में लगे एन्क्लोजर में धूल जमाव के लिए 15% अतिरिक्त सीमा
• सक्रिय शीतलन जो प्रति kW उत्पादित ऊष्मा के लिए 120CFM वायु को विस्थापित करने में सक्षम हो

इन दहलीजों से अधिक ऑपरेशन करने वाले सिस्टम थर्मल थ्रॉटलिंग के जोखिम में होते हैं, जो लगातार संचालन के दौरान बेसबैंड के माध्यम से अप तक 22% तक कमी कर सकता है।

उद्योग का विरोधाभास: आंशिक भार बनाम पूर्ण भार स्थितियों में उच्च दक्षता

जबकि आधुनिक पावर मॉड्यूल 20% लोड पर 80% से अधिक दक्षता प्राप्त करते हैं—जो परिवर्तनशील ट्रैफ़िक वाली बेसबैंड इकाइयों के लिए आदर्श है—तो फुल-लोड प्रदर्शन अक्सर प्रतिस्पर्धियों से नीचे चला जाता है। इस व्यापार-ऑफ़ से हल्के-लोड-अनुकूलित और पूर्ण-भार-केंद्रित डिज़ाइन के बीच 13% का दक्षता अंतर उत्पन्न होता है, जिससे इंजीनियरों को संचालन लचीलापन या चरम क्षमता में से किसी एक को प्राथमिकता देनी पड़ती है।

इनपुट वोल्टेज सुसंगतता और सिग्नल इंटेग्रिटी सुरक्षा

मौजूदा डीसी वितरण वास्तुकला के साथ सुसंगतता का आकलन

मौजूदा डीसी वितरण सेटअप के लिए पावर मॉड्यूल चुनते समय, वोल्टेज सहनशीलता स्तरों और भार साझा करने की उनकी क्षमता दोनों पर ध्यान देना महत्वपूर्ण है। अधिकांश बेसबैंड इकाइयाँ 48V डीसी सिस्टम के साथ काम करती हैं, और दिलचस्प बात यह है कि वोल्टेज में महज 5% की गिरावट या बढ़ोतरी उन सिंक्रोनाइज़ेशन प्रोटोकॉल को पूरी तरह से बाधित कर सकती है। पिछले साल 5G नेटवर्क घटकों पर प्रकाशित कुछ अनुसंधान के अनुसार, 40 से 60 वोल्ट के बीच इनपुट को संभालने में सक्षम पावर मॉड्यूल पुराने मॉडलों की तुलना में संगतता संबंधी समस्याओं को लगभग दो-तिहाई तक कम कर देते हैं, जिनकी वोल्टेज सीमा निश्चित होती है। विभिन्न वातावरणों में स्थिर संचालन बनाए रखने में इस तरह की लचीलापन सब कुछ बदल देता है।

इनपुट वोल्टेज अस्थिरता का बेसबैंड सिग्नल अखंडता पर प्रभाव

जब पावर मॉड्यूल में वोल्टेज रिपल 120mVpp से अधिक हो जाता है, तो 256-QAM सिग्नल के लिए स्थिति और खराब हो जाती है, जिससे लगभग 18% तक चरण शोर बढ़ जाता है। इससे EVM स्तर 3GPP मानकों द्वारा आवश्यकता के नीचे गिर जाते हैं, जो इन प्रणालियों पर काम कर रहे किसी के लिए भी अच्छी खबर नहीं है। मिलीमीटर वेव एप्लीकेशन में तो समस्या और अधिक स्पष्ट हो जाती है, जहाँ बेसबैंड प्रोसेसिंग अत्यधिक संवेदनशील हो जाती है। 2 एम्पीयर से ऊपर के ट्रांजिएंट करंट स्पाइक SERDES सर्किट्स को प्रभावित करने लगते हैं, जिससे अवांछित टाइमिंग जिटर प्रवेश करता है, जिसे इंजीनियरों द्वारा संभालना नापसंद किया जाता है। सौभाग्यवश, नए मॉड्यूल डिज़ाइन सक्रिय हार्मोनिक फ़िल्टरिंग तकनीकों के माध्यम से इस समस्या को दूर करना शुरू कर रहे हैं। ये उन्नत समाधान दक्षता में बहुत कमी के बिना आचरित EMI को लगभग 40% तक कम कर देते हैं, और पूर्ण क्षमता पर चलने पर भी प्रदर्शन को लगभग 95% पर बनाए रखते हैं।

बेसबैंड एप्लीकेशन के लिए इष्टतम पावर मॉड्यूल प्रकार का चयन

AC-DC, DC-DC, रैखिक और स्विचिंग मॉड्यूल के लिए कार्यात्मक अंतर और उपयोग के मामले

बेसबैंड इकाइयों को सही ढंग से काम करने के लिए आवश्यकता होती है कि पावर मॉड्यूल के विनिर्देशों को प्रणाली की वास्तविक आवश्यकताओं के साथ मिलाया जाए। एसी-डीसी कनवर्टर तब बेहतरीन होते हैं जब वैकल्पिक धारा (एसी) इनपुट के साथ काम करना हो, लेकिन दूरसंचार सेटिंग्स में ये समस्या पैदा करते हैं जहां अधिकांश उपकरण पहले से ही 48V डीसी पर चलते हैं। रैखिक मॉड्यूल में पिछले साल IEEE के अनुसंधान के अनुसार RMS के नीचे 2 माइक्रोवोल्ट से कम का बहुत कम शोर स्तर होता है, लेकिन वे अपनी ऊर्जा का लगभग आधा भाग बर्बाद कर देते हैं, जो बेसबैंड प्रोसेसिंग में उन बड़ी शक्ति की आवश्यकताओं को संभालने के लिए बिल्कुल भी व्यावहारिक नहीं है। स्विचिंग डिज़ाइन 80 से 95 प्रतिशत के बीच बहुत बेहतर दक्षता दर हासिल करते हैं, और साथ ही वे छोटे स्थान में फिट हो जाते हैं। कुछ नए डीसी-डीसी मॉडल 5G नेटवर्क के भार में 40 प्रतिशत के उतार-चढ़ाव के बावजूद आउटपुट को स्थिर रख सकते हैं, जैसा कि पोनमैन के अध्ययन में उल्लेखित है। अनुनादी डिज़ाइन अभी तक दूरसंचार में व्यापक रूप से उपयोग नहीं किए जा रहे हैं, लेकिन प्रारंभिक परीक्षणों से संकेत मिलते हैं कि वे लगातार संचालन के दौरान लगभग 97 प्रतिशत तक की दक्षता प्राप्त कर सकते हैं, जिस पर निर्माता भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए नज़र रख रहे हैं।

आधुनिक बेसबैंड इकाइयों में डीसी-डीसी स्विचिंग मॉड्यूल क्यों प्रभावी हैं

5G चैनल एग्रीगेशन के तेजी से बढ़ने के साथ, मैसिव MIMO सेटअप में देखे जाने वाले प्रति माइक्रोसेकंड 150A के तीव्र धारा उछाल को संभालने के लिए डीसी-डीसी स्विचिंग मॉड्यूल समाधान बन गए हैं। पारंपरिक रैखिक नियामक इतनी तेजी से नहीं चल पाते, क्योंकि 256QAM मॉड्यूलन के दौरान चरम मांग के समय वे अपनी इनपुट शक्ति का लगभग दो तिहाई भाग ऊष्मा के रूप में बर्बाद कर देते हैं। स्विचिंग डिज़ाइन एकदम अलग दृष्टिकोण अपनाते हैं। वे पल्स विड्थ मॉड्यूलन तकनीक का उपयोग करते हैं जो 30% से लेकर पूर्ण लोड क्षमता तक संचालन के दौरान लगभग 92% दक्षता बनाए रखती है। वास्तविक लाभ तब स्पष्ट होता है जब भीड़-भाड़ वाले बेसबैंड एनक्लोजर में तापमान अक्सर 55 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है। इन संकुचित जगहों में उस तरह की ऊष्मा उत्पन्न होने की अनुमति नहीं दी जा सकती जो पुरानी नियामक तकनीकें समान परिस्थितियों में उत्पन्न करती थीं।

रैखिकता, शोर और दक्षता के बीच समझौते

बेसबैंड पावर सिस्टम में इंजीनियरों को तीन प्रतिस्पर्धी प्राथमिकताओं के बीच संतुलन बनाए रखना होता है:

• शोर : लीनियर मॉड्यूल 64T64R एंटीना एर्रे के लिए महत्वपूर्ण <50 डीबी सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात बनाए रखते हैं
• दक्षता : स्विचिंग टोपोलॉजी 100G NRZ सिग्नल प्रोसेसिंग के दौरान भी 85%+ दक्षता बनाए रखती है
• रैखिकता : हाइब्रिड डिज़ाइन लोड के तहत ±0.5% वोल्टेज रेगुलेशन प्राप्त करने के लिए 5–8% दक्षता का त्याग करते हैं

2023 के एक अध्ययन में पता चला कि 5G तैनाती के 72% शोर दमन की तुलना में दक्षता को प्राथमिकता देते हैं, 3GPP के -110 dBm/Hz EMI दायरे को पूरा करने के लिए पोस्ट-रेगुलेशन फ़िल्टरिंग का उपयोग करते हैं।

प्रवृत्ति: सुधारित रेगुलेशन के लिए हाइब्रिड टोपोलॉजी का एकीकरण

आजकल कई शीर्ष निर्माता स्विचिंग प्री-रेगुलेटर्स को लीनियर पोस्ट-रेगुलेटर्स के साथ मिला रहे हैं। इस संयोजन से लगभग 88% तक सिस्टम दक्षता प्राप्त होती है, जबकि आउटपुट रिपल लगभग 10 mVpp तक ही सीमित रहता है। यह पूरी हाइब्रिड व्यवस्था उन जटिल मिलीमीटर-तरंग बेसबैंड सिस्टम्स के लिए बहुत अच्छी तरह काम करती है जिन्हें 400W शक्ति आपूर्ति के साथ-साथ 16-बिट ADC में पाई जाने वाली सटीकता की भी आवश्यकता होती है। 2024 में मोबाइलटेक इंसाइट्स द्वारा प्रकाशित हालिया फील्ड परीक्षणों के अनुसार, पारंपरिक पूर्ण-स्विचिंग डिज़ाइन की तुलना में इस विधि का उपयोग करने पर EVM उल्लंघन लगभग 43% कम होते हैं। इसलिए यह आश्चर्य की बात नहीं है कि आजकल ओपन रेन परियोजनाओं के लिए उद्योग के कई लोग इस दृष्टिकोण की ओर रुख क्यों कर रहे हैं।

सामान्य प्रश्न

बेसबैंड प्रोसेसिंग यूनिट क्या है?

दूरसंचार में सिग्नल प्रोसेसिंग कार्यों को संभालने के लिए बेसबैंड प्रोसेसिंग यूनिट आवश्यक होती है। यह उच्च सिग्नल गुणवत्ता, विशेष रूप से 5G जैसी उन्नत तकनीकों में, निम्न रिपल शोर बनाए रखते हुए विशिष्ट वोल्टेज और बिजली की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए पावर मॉड्यूल का उपयोग करती है।

5G प्रणालियाँ 4G की तुलना में अधिक बिजली क्यों खींचती हैं?

mIMO संचालन और त्रुटि सुधार जैसी उन्नत सुविधाओं के कारण 5G प्रणालियों को पावर मॉड्यूल से अधिक मांग होती है, जिसके परिणामस्वरूप बढ़ी हुई बिजली की खपत होती है, इसलिए ये 4G की तुलना में अधिक बिजली का उपयोग करती हैं।

पावर मॉड्यूल की क्षमताओं में असंगतता का बेसबैंड यूनिट पर क्या प्रभाव पड़ता है?

प्रोटोकॉल स्टैक प्रोसेसिंग में चढ़ाव की अवहेलना या LDPC डिकोडिंग का कम अनुमान लगाना जैसी असंगतियाँ गतिशील ट्रैफ़िक स्थितियों में वोल्टेज ड्रॉप और क्लॉक अस्थिरता का कारण बनती हैं, जिससे बिट त्रुटि दर में वृद्धि होती है।

पावर मॉड्यूल में ट्रांज़िएंट प्रतिक्रिया डिज़ाइन का क्या महत्व है?

अस्थायी प्रतिक्रिया डिज़ाइन मिलीसेकंड-स्तरीय धारा के उछाल को प्रबंधित करने के लिए महत्वपूर्ण है, जो शक्ति मॉड्यूल की समय से पहले विफलता का कारण बन सकता है, विशेष रूप से 170A से अधिक की उच्च चोटियों वाले मांगपूर्ण 5G वातावरण में।

5G बेसबैंड अनुप्रयोगों में डीसी-डीसी स्विचिंग मॉड्यूल को क्यों प्राथमिकता दी जाती है?

डीसी-डीसी स्विचिंग मॉड्यूल 5G अनुप्रयोगों में आम उच्च धारा के उछाल को कुशलता से संभालते हैं, पारंपरिक रैखिक नियामकों की तुलना में उत्तम दक्षता प्रदान करते हैं, और कॉम्पैक्ट और उच्च तापमान वाले वातावरण में संचालन विश्वसनीयता बनाए रखने में महत्वपूर्ण हैं।

स्विचिंग और रैखिक शक्ति मॉड्यूल के बीच व्यापार-ऑफ़ क्या हैं?

स्विचिंग मॉड्यूल अधिक कुशल होते हैं और उच्च-धारा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं, जबकि रैखिक मॉड्यूल कम शोर स्तर प्रदान करते हैं जो शोर-संवेदनशील एनालॉग सेटिंग्स के लिए बेहतर होते हैं, लेकिन ऊर्जा के मामले में कम कुशल होते हैं।