Come scegliere moduli di alimentazione ad alta efficienza energetica per le stazioni base (BTS)?

Comprendere i requisiti dei moduli di alimentazione per le stazioni base nelle reti 5G

Perché i carichi di lavoro delle stazioni base richiedono un’efficienza energetica dinamica

Il carico di lavoro sulle stazioni base 5G varia notevolmente, passando da circa 300 watt quando sono inattive a oltre 1500 watt durante i periodi di maggiore attività. Ciò influisce direttamente sui costi operativi di queste stazioni e sull’impatto ambientale che generano. Le configurazioni di rete più vecchie distribuiscono il proprio fabbisogno energetico in modo diverso rispetto alla tecnologia 5G, che si basa in larga misura su segnali in banda millimetrica e su grandi array di antenne denominati Massive MIMO. Queste tecnologie più recenti concentrano la maggior parte del consumo energetico in componenti specifici, noti come unità radiofrequenza (RFU) o, in breve, AAU (Active Antenna Units), le quali assorbono oltre la metà dell’elettricità utilizzata in ciascun sito. Quando questi alimentatori non funzionano a piena capacità, tendono a sprecare molta energia: fino al 40% dell’energia può andare persa in condizioni di funzionamento non ottimale. È per questo motivo che i moduli di alimentazione odierni devono regolare i propri livelli di efficienza in base alle condizioni correnti, mediante un sistema di monitoraggio in tempo reale. Dovrebbero ridurre il consumo energetico durante i periodi di bassa attività, ma rimanere pronti ad attivarsi immediatamente in caso di improvvisi picchi di domanda di capacità di rete.

Vincoli termici e affidabilità: come la temperatura di giunzione influisce sulla durata del modulo di potenza

La temperatura di giunzione svolge un ruolo fondamentale nel determinare la durata dei moduli di potenza. Per i semiconduttori, ogni aumento di 10 gradi Celsius oltre i 100 gradi ne dimezza l’aspettativa di vita. Le stazioni base compatte per reti 5G pongono sfide particolari per i componenti in GaN e SiC, poiché generano notevoli sollecitazioni termiche. L’elaborazione di segnali ad alta frequenza, combinata con una conversione di tensione inefficiente, crea problemi, soprattutto quando i metodi passivi di raffreddamento raggiungono i loro limiti. Questa situazione accelera i fenomeni di elettromigrazione e provoca un’usura più rapida dei materiali. Secondo i dati raccolti sul campo, i moduli di potenza che funzionano a temperature superiori a 125 gradi Celsius registrano circa il 35% in più di guasti all’anno rispetto a quelli mantenuti entro i range di temperatura sicuri. Quando le aziende implementano strategie intelligenti di gestione termica — come progetti migliorati di dissipatori di calore e sistemi di raffreddamento forzato ad aria — riducono tipicamente le temperature nei punti critici di circa 22 gradi in media. Questi miglioramenti non solo proteggono i componenti, ma riducono anche i requisiti energetici per il raffreddamento di circa il 18% ogni anno. Trovare il giusto equilibrio tra prestazioni e controllo della temperatura rimane fondamentale se si vuole che questi sistemi operino in modo affidabile per periodi prolungati, senza costi eccessivi di manutenzione.

Valutare l'efficienza del modulo di alimentazione in tutti gli stati operativi reali della stazione base (BTS)

Misurazione dei profili dinamici di potenza: stato di riposo, carico parziale e carico massimo, utilizzando i benchmark 3GPP TR 36.814

Per valutare realmente se un modulo di alimentazione funziona bene, è necessario sottoporlo a test in tre stati operativi principali del BTS riconosciuti dal settore: quando è semplicemente inattivo e non esegue alcuna operazione (stato di riposo), quando opera a livelli intermedi compresi tra il 40% e il 70% della capacità massima (carico parziale) e quando è sottoposto al carico massimo corrispondente al 100% della capacità utente (carico di picco). Esiste una norma, la 3GPP TR 36.814, che fornisce validi parametri di riferimento per la creazione di scenari realistici di traffico 5G. E indovinate un po’? Le differenze nei consumi energetici tra questi stati possono superare il 60%, valore piuttosto significativo. Quando il sistema è in stato di riposo, i moduli efficienti mantengono attive le funzioni di controllo essenziali senza richiedere una corrente eccessiva, riducendo così gli sprechi energetici a riposo. I test effettuati in condizioni di carico parziale ci consentono di valutare l’efficacia della regolazione della tensione nel gestire picchi di potenza transitori, limitando al contempo le perdite dovute alle commutazioni. In condizioni di carico di picco, verifichiamo la presenza di problemi quali il throttling termico e difetti nella conversione dell’energia, poiché progettazioni scadenti potrebbero comportare sprechi superiori a 300 watt ogni ora anche in assenza di attività. Specifiche simulazioni Hardware-in-the-Loop aiutano a verificare la stabilità del sistema in caso di variazioni improvvise, prevenendo sovratensioni che comprometterebbero le prestazioni radio. L’esecuzione di test in tutti questi diversi stati garantisce che i moduli operino in modo efficiente nelle reti reali, influenzando direttamente i costi operativi e impedendo il surriscaldamento delle apparecchiature.

Valutare le funzionalità di gestione dell'energia a livello hardware nei moduli di alimentazione BTS

I moderni moduli di alimentazione delle stazioni base trasmittenti integrano funzionalità hardware progettate appositamente per soddisfare le esigenze dinamiche di potenza del 5G, bilanciando reattività, efficienza e resistenza termica.

Prestazioni della modalità sleep: latenza vs. risparmi energetici nei moduli di alimentazione basati su GaN

La tecnologia Gallio Nitruro consente un rapido passaggio tra stati attivi e stati di sospensione a basso consumo energetico, contribuendo così a ridurre lo spreco di energia quando le stazioni radio base non stanno trasmettendo attivamente segnali. Tuttavia, esiste un compromesso: quando i sistemi entrano in modalità di sospensione profonda, possono risparmiare circa il 70% di energia, ma richiedono poi circa 5–8 millisecondi per risvegliarsi nuovamente. D’altra parte, mantenere i sistemi in modalità di sospensione leggera garantisce tempi di risposta quasi istantanei, inferiori a un millisecondo, ma comporta un risparmio energetico minore. Tutti questi continui passaggi tra stati fanno effettivamente aumentare la temperatura dei componenti a causa dei cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento, il che non è vantaggioso neppure per l'affidabilità a lungo termine. Gli operatori di rete devono decidere come impostare questi parametri di sospensione in base a ciò che ha maggiore priorità nella loro specifica situazione: alcuni potrebbero privilegiare risposte estremamente rapide per servizi di comunicazione critici, ultra-affidabili e a bassa latenza, mentre altri, che gestiscono torri con ampie aree di copertura, potrebbero dare maggiore importanza al massimo risparmio energetico possibile, anche a costo di tempi di avvio leggermente più lunghi.

Tecniche di scalatura adattiva della tensione e di sconto energetico per una riduzione massima del picco del 22%

La scalabilità dinamica della tensione e della frequenza, o DVFS per brevità, funziona regolando costantemente la quantità di potenza fornita ai processori in base a ciò che questi stanno effettivamente facendo in ogni istante. Questo sistema analizza anche in anticipo i carichi di lavoro, in modo da prevedere i periodi di bassa attività nel traffico dati e poter abbassare in tutta sicurezza i livelli di tensione in quei momenti, consentendo un risparmio energetico complessivo del 12–18 percento circa. Abbinare questa tecnica a una procedura denominata "power discounting" (riduzione della potenza) ne migliora ulteriormente l’efficacia. Il power discounting consiste nell’effettuare lievi riduzioni della tensione, della durata di pochi microsecondi, nei brevi istanti in cui il processore non è impegnato. Questa combinazione può ridurre il consumo di potenza di picco fino al 22 percento in alcuni casi. Per le città affollate di server e apparecchiature, misure di efficienza integrate di questo tipo rivestono un’importanza notevole. Le soluzioni tradizionali di raffreddamento non sono più sufficienti in molte situazioni, poiché occupano troppo spazio oppure comportano costi eccessivi per un’installazione adeguata.

Confronta le strategie di risparmio energetico a livello di modulo per un’implementazione sostenibile delle BTS

Suddividere gli approcci per il risparmio energetico in componenti modulari rende le stazioni radio base complessivamente molto più ecologiche. Quando gli ingegneri separano elementi come convertitori DC-DC, controller digitali e unità di gestione termica, ottengono la possibilità di ottimizzare ciascuna parte singolarmente, cosa che non è possibile con i tradizionali sistemi integrati monoblocco. Prendiamo ad esempio la gestione gerarchica dell’alimentazione: i sottocontroller locali regolano l’efficienza a livello di modulo mediante tecniche quali l’attivazione automatica della modalità di sospensione dei moduli. Allo stesso tempo, un controller principale si occupa del bilanciamento dell’energia su tutto il sistema. Secondo alcuni test sul campo condotti dalla GSMA nel 2023, questa configurazione riduce lo spreco di energia durante i periodi di inattività di circa il 19%. Il mantenimento dell’isolamento termico di ciascun modulo di alimentazione impedisce la diffusione del calore nell’intero apparato. Ciò consente di ricorrere a soluzioni di raffreddamento meno aggressive, riducendo i costi di raffreddamento di circa il 30%. Un ulteriore vantaggio significativo per la pianificazione a lungo termine è la possibilità di scalare i componenti in modo indipendente. Gli operatori di rete non devono sostituire interi sistemi quando determinate parti cominciano a mostrare difficoltà sotto carichi elevati: possono semplicemente sostituire solo le aree problematiche, ad esempio i convertitori per i picchi di carico. Nel corso di dieci anni, ciò consente di risparmiare tra 8 e 12 tonnellate di rifiuti elettronici per singola ubicazione. Tutti questi miglioramenti si traducono in un allungamento della vita utile dell’hardware, una riduzione dell’impronta di carbonio e una maggiore preparazione alle nuove esigenze energetiche che accompagneranno lo sviluppo della tecnologia 5G.