Kako odabrati odgovarajući modul napajanja za jedinice baze

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

Pregled jedinice za obradu signala i njezinih zahtjeva za napajanje

Najnoviji jedinice za obradu baze podataka zahtijevaju posebno dizajnirane modulе napajanja koji mogu davati između 48 i 72 volta istosmjernog napona, uz održavanje šuma od impulsa ispod 150 mikrovolti kako bi se sačuvala kvaliteta signala. Potrošnja energije znatno varira ovisno o modelu, raspon je otprilike od 80 vati do 350 vati, ovisno o složenosti obrade. Kada se konkretno gledaju 5G sustavi, prema nedavnim industrijskim izvještajima, oni u vršnim opterećenjima troše oko 22 posto više energije nego njihovi 4G kolege. Ovaj povećani zahtjev posebno je uočljiv tijekom MIMO operacija i pri obradi ispravljanja pogrešaka. Moduli napajanja moraju zapravo moći podnijeti 105% svoje nazivne snage najmanje deset sekundi uzastopno, bez kvara u tim uvjetima.

Usklađivanje mogućnosti modula napajanja s opterećenjem jedinica za obradu baze podataka

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

• Zanemarivanje skokova obrade protokola tijekom prijenosnih operacija
• Potcjenjivanje struja dekodiranja LDPC-a za 19–31%
• Zanemarivanje kašnjenja od 10–15 ms u topologijama dijeljenja struje

Ove nesukladnosti dovode do padova napona, nestabilnosti takta i povećane stope bitnih pogrešaka, osobito kod dinamičkih prometnih uvjeta.

Kriteriji performansi u dinamičkim okruženjima obrade signala

Optimalni moduli napajanja moraju zadovoljiti stroge standarde performansi kroz sve generacije:

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

Studija slučaja: Fluktuacije snage u 5G jedinicama za obradu signala tijekom maksimalnog protoka

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

Dimenzioniranje modula napajanja: izlazna snaga, strujni skokovi i smanjenje performansi

Postupak po koracima za izračunavanje ukupnih potreba za izlaznom snagom

Točno dimenzioniranje modula napajanja uključuje tri ključna koraka:

1. Zbrojite nazivnu potrošnju energije jedinice osnovnog pojasa preko svih jezgri DSP-a i I/O sučelja
2. Dodajte marginu od 25–40% kako biste nadoknadili starenje komponenti i varijacije opterećenja
3. Pomnožite s 1,5–2x za rezervu u N+1 konfiguracijama

Podaci iz terena pokazuju da je 63% nezadovoljavajuće radećih jedinica osnovnog pojasa 2023. godine bilo posljedica nedovoljnih proračuna rezervi snage (Telecom Power Consortium), što ističe važnost konzervativnih početnih procjena.

Uzimanje u obzir kratkotrajnih strujnih skokova u digitalnim kolima osnovnog pojasa

Suvremeni procesori osnovnog pojasa pokazuju milisekundne strujne skokove do 200% nazivnih opterećenja tijekom demodulacije signala. Ovi prijelazni naponi zahtijevaju modul snage s:

• Brzina porasta >200 A/µs
• Vrijeme odziva <50 µs
• Tolerancija prekoračenja ±15%

Studija iz 2023. godine pokazala je da je 38% jedinica 5G baznog pojasna frekvencija doživjelo prerano otkazivanje modula napajanja zbog nekontroliranih strujnih skokova iznad 170 A (Izvješće o bežičnoj infrastrukturi), što ističe potrebu za robusnim projektiranjem odziva na tranzijente.

Korištenje krivulja deklasiranja za osiguravanje dugoročne stabilnosti

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

Učinkovitost, termičke performanse i integracija hlađenja

Energetska učinkovitost kao pokretač termičkih performansi

Moduli za napajanje danas mnogo bolje upravljaju toplinom jer su jednostavno učinkovitiji. Kada se energija troši uzalud, pretvara se u toplinu, pa poboljšanje učinkovitosti znači manje zagrijavanja. Uzmimo primjerice DC-DC prekidačke sheme — ovi napredni sustavi smanjuju termičke probleme za oko 40 posto u usporedbi s klasičnim linearnim regulatorima. Oni rade s učinkovitošću od 92 do 96 posto, što čini veliku razliku. Jedinicama za bazu signala (baseband) osobito koristi povezanost između učinkovitosti i upravljanja toplinom. Zamislite 80-vatni procesor koji radi u jednoj od ovih jedinica — može proizvoditi dodatnih 6 do 8 vati topline ako pretvorba napajanja nije potpuno točna. Takvo trošenje se brzo nakuplja i stvara brojne probleme inženjerima koji pokušavaju održati hlađenje.

Usporedna analiza: Prekidački naspram linearnih modula napajanja u rasipanju topline

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

Usklađenost termalne dizajnerske snage (TDP) s ograničenjima hlađenja kućišta

Ocjene TDP modula za napajanje moraju biti usklađene s maksimalnim opterećenjem procesora i okolišnim uvjetima. Modul s TDP-om od 300 W u okolišu temperature 40°C obično zahtijeva:

• rezervu protoka zraka od 25% za de-rating zbog nadmorske visine
• margina od 15% za nakupljanje prašine u vanjskim kućištima
• Aktivno hlađenje sposobno istiskivati 120 CFM po kW toplinskog izlaza

Sustavi koji premašuju ove granice rizikuju termalno prigušivanje, što može smanjiti propusnost bazne trake do 22% tijekom dugotrajnih operacija.

Industrijski paradoks: Visoka učinkovitost pri djelomičnom opterećenju nasuprot punom opterećenju

Iako suvremeni moduli snage postižu učinkovitost od 80%+ pri opterećenju od 20% — što je idealno za jedinice s baznom trakom i varijabilnim prometom — njihova učinkovitost pri punom opterećenju često padne ispod konkurencije. Ovaj kompromis stvara jaz u učinkovitosti od 13% između dizajna optimiziranih za rad s malim opterećenjem i onih usmjerenih na puno opterećenje, zbog čega inženjeri moraju odabrati između operativne fleksibilnosti ili maksimalnih performansi.

Kompatibilnost ulaznog napona i zaštita integriteta signala

Procjena kompatibilnosti s postojećim arhitekturama DC distribucije

Prilikom odabira modula za napajanje za postojeće DC distribucijske sustave, važno je uzeti u obzir razine tolerancije napona i način podjele opterećenja. Većina osnovnih jedinica radi s 48V DC sustavima, a zanimljivo je da čak i promjena napona od 5% može potpuno poremetiti protokole sinkronizacije. Prema istraživanju objavljenom prošle godine o komponentama 5G mreže, moduli za napajanje koji mogu obraditi ulazni napon između 40 i 60 volti smanjuju probleme s kompatibilnošću otprilike za dvije trećine u usporedbi sa starijim modelima s fiksnim rasponima napona. Ovakva fleksibilnost ključna je za održavanje stabilnog rada u različitim uvjetima.

Utjecaj nestabilnosti ulaznog napona na integritet baznog signala

Kada naponski valovi premašuju 120 mVpp 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 onoga što zahtijevaju 3GPP standardi, što je definitivno loša vijest za sve koji rade na ovim sustavima. Problem postaje još izraženiji u aplikacijama s milimetarskim valovima gdje obrada u osnovnom opsegu postaje iznimno osjetljiva. Prolazni skokovi struje iznad 2 ampera počinju ometati SERDES sklopove, uvodeći neželjeni džiter u vremenu kojeg inženjeri mrze rješavati. 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 učinkovitosti, održavajući performanse na oko 95% čak i pri punom opterećenju.

Odabir optimalnog tipa modula napajanja za aplikacije u osnovnom opsegu

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

Da bi osnovne jedinice ispravno radile, potrebno je uskladiti specifikacije modula za napajanje s onime što sustav zapravo zahtijeva. AC-DC pretvarači odlični su kada se koristi izmjenična struja kao ulaz, ali uzrokuju probleme u telekomunikacijskim postavkama gdje većina opreme već radi na 48V istosmjernom naponu. Linearni moduli imaju vrlo niske razine buke, ispod 2 mikrovolta RMS prema istraživanju IEEE-a iz prošle godine, ali gube otprilike polovicu energije, što uopće nije praktično za obradu velikih potreba za snagom u obradi signala baze. Prekidački dizajni postižu znatno bolje stope učinkovitosti 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 Ponemonovom istraživanju. Rezonantni dizajni još uvijek nisu široko korišteni u telekomunikacijama, ali rani testovi sugeriraju da bi mogli doseći gotovo 97 posto učinkovitosti tijekom kontinuiranog rada, zbog čega ih proizvođači prate kao mogućnost za buduće primjene.

Zašto DC-DC prekidački moduli dominiraju u modernim baznim jedinicama

S brzim rastom agregacije kanala 5G, DC-DC prekidački moduli postali su standardno rješenje za upravljanje intenzivnim strujnim skokovima od 150A po mikrosekundi koji se javljaju u massive MIMO konfiguracijama. Tradicionalni linearni regulatori ne mogu im pridonijeti, jer troše otprilike dvije trećine ulazne snage u obliku topline tijekom vršnih opterećenja pri 256QAM modulaciji. Prekidački dizajni koriste potpuno drugačiji pristup. Oni primjenjuju tehnike modulacije širine impulsa koje održavaju učinkovitost od oko 92% čak i pri radu između 30% i punog opterećenja. Stvarna prednost postaje očita u tim guštvatim kućištima baznih jedinica gdje temperature često narastu do 55 stupnjeva Celzijusovih. Ovi kompaktni prostori jednostavno ne mogu tolerirati zagrijavanje koje bi starije tehnologije regulatora proizvele u sličnim uvjetima.

Kompromisi između linearnosti, šuma i učinkovitosti

Inženjeri moraju uravnotežiti tri konkurentne prioritete u baznim snaga sustavima:

• Buka : Linearni moduli održavaju omjer signal/šum ispod 50 dB, što je kritično za 64T64R antenske nizove
• Učinkovitost : Prekidačke topologije zadržavaju učinkovitost od 85% i više čak i tijekom obrade 100G NRZ signala
• Linearnost : Hibridni dizajni žrtvuju 5–8% učinkovitosti kako bi postigli regulaciju napona ±0,5% pod opterećenjem

Studija iz 2023. godine otkrila je da 72% uvođenja 5G mreža daje prednost učinkovitosti nasuprot potiskivanju šuma, koristeći filtriranje nakon regulacije kako bi zadovoljili EMI prag 3GPP-a od -110 dBm/Hz.

Trend: Integracija hibridnih topologija za poboljšanu regulaciju

Mnogi vodeći proizvođači danas počinju kombinirati prethodne regulatora s prekidačem i linearnim regulatorima na izlazu. Ova kombinacija postiže učinkovitost sustava od oko 88% i zadržava nivo titranja izlaza na otprilike 10 mVpp. Cijeli hibridni sustav izvrsno funkcionira za one zahtjevne baze podataka milimetarskih valova koji zahtijevaju čvrstu 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 kršenja u usporedbi s tradicionalnim dizajnima koji koriste isključivo prekidače. Razumljivo je zašto sve više stručnjaka u industriji prelazi na ovaj pristup za svoje Open RAN projekte.

Česta pitanja

Što je jedinica za obradu baze podataka?

Jedinica za obradu baza je ključna u telekomunikacijama za obavljanje zadataka obrade signala. Koristi posebno dizajnirane snopove napajanja kako bi isporučila specifične naponske i energetske zahtjeve, istovremeno održavajući niske vrijednosti šuma radi visokog kvalitete signala, osobito u naprednim tehnologijama poput 5G.

Zašto 5G sustavi troše više energije od 4G?

5G sustavi koriste više energije u usporedbi s 4G zbog poboljšanih značajki poput MIMO operacija i ispravljanja pogrešaka, što nameće veća opterećenja na module napajanja, što rezultira povećanom potrošnjom energije.

Kako neusklađenosti u mogućnostima modula napajanja utječu na jedinice baze?

Nekonzistentnosti, poput zanemarivanja vršnih opterećenja pri obradi protokola ili potcjenjivanja LDPC dekodiranja, rezultiraju padom napona i nestabilnošću takta, čime se povećava stopa bitnih pogrešaka u uvjetima dinamičnog prometa.

Koliko je važan dizajn prijelazne reakcije u modulima napajanja?

Dizajn prijelazne karakteristike ključan je za upravljanje strujnim prenaponima u trajanju od milisekunde koji mogu dovesti do preranog otkaza snaga modula, posebno u zahtjevnim 5G okruženjima s visokim vrhovima iznad 170A.

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

DC-DC prekidački moduli učinkovito upravljaju visokim strujnim prenaponima tipičnim za 5G aplikacije, nudeći veću učinkovitost u usporedbi s tradicionalnim linearnim regulatorima, te su ključni za održavanje operativne pouzdanosti u kompaktnim i visokotemperaturnim okruženjima.

Koje su kompromise između prekidačkih i linearnih snaga modula?

Prekidački moduli su učinkovitiji i pogodniji za visokostrujne aplikacije, dok linearni moduli nude niske razine buke, što je bolje za osjetljiva analognih okruženja, ali su manje energetski učinkoviti.