Қуат модульдері байланыс жүйелерінің сенімділігіне қалай әсер етеді?

Қуат модулінің пайдалы әрекет коэффициенті және оның байланыс жүйесінің тұрақтылығына әсері

Қуат модулінің пайдалы әрекет коэффициенті сигналдың бүтіндігіне қалай әсер етеді

Қуат модульдерінің тиімділік деңгейі электрлік шу деңгейлері мен жылу шығаруға әсер ететіндіктен, негізінен байланыс жүйелерінің сенімділігіне нақты әсер етеді. IEEE-дің соңғы зерттеулеріне сәйкес, бұл модульдер 90%-дан төмен тиімділікпен жұмыс істегенде, гармоникалық искажениларды шамамен 40% артық шығарады. Бұл қосымша искажение 5G базалық станциялары сияқты құрылғылардағы сигнал сапасына кедергі келтіреді және сигналдардың таза болуын қиындатады. Пакеттердің жоғалуы, әсіресе қазір барлық жерде кездесетін жоғары жиілікті mmWave желілерінде, көбірек кездеседі. Ірі бір байланыс компаниясы ескі жабдықтарды 94% тиімділікпен жұмыс істейтін жаңа модульдерге ауыстырғаннан кейін, олардың сигнал қателерінің деңгейі шамамен үштен екіге төмендегенін байқады. Мұнан шығатын қорытынды қарапайым: деректер берілімі бұзылусыз таза болуы үшін таза қуат беру шынымен маңызды.

Жағдай зерттеу: Өнеркәсіптік ортада желінің үзілуіне әкелген қуат модулінің істен шығуы

2022 жылы айтарлықтай машина бөлшектерін жасаушы кәсіпорын өзінің «ақылды зауытының» электр қорек көзінің ескірген модульдері істен шыққан кезде 14 сағатқа созылған желінің үзілуін бастан өткерді, бұл оларға шамамен екі миллион долларға тиеді. Осы оқиғаның не себепті болғанын зерттегенде проблемалар кішігірім болып басталғаны, бірақ тез арада күрт өсті. Барлық дау-дамға AC пайдаланатын DC түрлендіргіштен түсетін кернеудің төмендеуі, сонымен қатар тиімділігі тек 72% құрайтын жағдай себеп болды. Содан кейін PLC жүйесі толығымен өшіп қалғанша байланыс уақыты 800 миллисекундқа дейін ұлғайды. Баспа платалары ұзақ уақыт ыстықта тұрғаны үшін балқып кеткендіктен, барлығын жөндеу 180 мыңнан астам долларға тиді. Бұл оқиға өндірушілерге өздерінің маңызды операцияларын жүргізуге жабдықтарының нақты тиімділігін тексеру үшін сыртқы сарапшыларды тарту қажеттігі туралы айқын ескерту болып табылады.

Тренд: Телеком жүйелерінде жоғары тиімді GaN және SiC қуат модульдерін қабылдау

Тиімділік, жылу және кеңістік шектеулерін шешу үшін телеқарыз саласы тез арада GaN (галлий нитриді) және SiC (кремний карбиді) қуат модульдерін енгізуде:

GaN негізіндегі түзеткіштерді 15 000 ұялы бекетте 2024 жылы Verizon орнатқаннан кейін жылдық энергия шығыны $8,7 млн-ға азайды және 4G/5G ауысу аймақтарында сигнал тұрақтылығы жақсарды.

Тактика: Миссиялық маңызды байланыс түйіндері үшін қатеға төзімді қоректендіру құрылғыларын жобалау

Қазіргі заманғы қатеға төзімді жобалар үш негізгі әдісті біріктіреді:

1. Фазаларды интерлейвтеу: Көп модульді орнатуларда токтың қысымын 55% азайтады
2. Динамикалық жүктемені бөлу: Модульдердің істен шығу кезінде жүктеменің теңсіздігін 5%-дан аспайтындай етіп сақтайды
3. Болжаулау аналитикасы: МЛ модельдері конденсаторлардың тозуын 600 сағат бұрын анықтай алады

Осы стратегияларды қолданатын аурухана желісі авариялық байланыс үшін 99,9999% қуат қолжетімділігіне қол жеткізді, алалықтағы симуляцияланған үзілістер кезінде автоматты түрде 2 мс ішінде резервтік қамтамасыз ету орындалды.

Қорек беру модульдері мен байланыс тізбектері арасындағы электромагниттік кедергілерді басқару

Қуат модульдерінде ЭМИ-ның пайда болуын түсіну және оның Zigbee байланысына әсері

Қуат модульдері негізінен DC-DC түрлендіргіштер мен кернеу реттегіштердегі жоғары жиілікті ажыратқыштар салдарынан электромагниттік бөгеуілдер туғызады. Мәселе осы бөгеуілдердің екі түрлі таралуында: олар өткізгіш бойымен таратылады және сонымен қатар кеңістікке сәулеленеді, нәтижесінде 2,4 ГГц жиілік диапазонында жұмыс істейтін Zigbee құрылғылары сияқты сигналдар бұзылады. Кеше жылы жарияланған кейбір зерттеулерге сәйкес, дәнекерленген жүйелердің жартысы шамама EMI-ға тексерудің бірінші кезеңінде өтпейді, себебі олардың қоректендіру көздерінде дұрыс сүзгілеу болмайды. Zigbee желілеріне нақтырақ тоқталсақ, бұл қуат модульдері дұрыс сүзілмесе, пакет жоғалту кейде 15%-дан асады. Мұндай бұзылулар IoT құрылғыларының нақты жағдайларда қаншалықты жақсы жұмыс істеуіне үлкен зиян тигізеді.

Тығыз электрондық орталарда ЭМИ-дан қорғау бойынша ең жақсы практикалар

ЭМИ-ны азайтудың тиімді болуы үшін көп қабатты тәсілдер қажет:

• Мыс-алюминий қорытпаларынан жасалған өткізгіш қораптар 60–80 дБ босану 6 ГГц-ке дейін
• Феррит сақиналар ортақ режимдегі шуылды 20 дБ 1–100 МГц аралығында
• Оптимизацияланған PCB орналасуы контур аудандарын 40%, байланыстың минималды болуын қамтамасыз етеді

Алып баратын ЭМИ зерттеушілердің соңғы зерттеулері ток көзі мен сигнал қабаттарын жерленген мыспен бөлу 5G базалық станцияларының дизайнында сыйымдылықты байланысты 35% азайтатынын көрсетті.

Қуат модулін жобалауда миниатюризация мен электромагниттік үйлесімділікті теңестіру

Тығыз орындалу нәтижесінде сыйымдылықты байланыстың өсуіне байланысты миниатюризация ЭМИ қаупін арттырады 30–50%дәстүрлі компоновкамен салыстырғанда. Алдыңғы қатарлы шешімдерге мыналар жатады:

Сәулеленуге төзімді модульдерге енді жергілікті экранның конденсаторлары мен 0,1 мм диэлектрик саңылаулары енгізілген, ол 15 мм³ көлемнен аспайтын пакетте MIL-STD-461G стандартының талаптарына сай болуын қамтамасыз етеді 15 мм³ , бұл оларды жасанды серіктердің қабылдағыш-жібергіштері мен басқа да тығыз байланыс жүйелері үшін идеалды етеді.

Қоршаған ортаның әсерлері: Қуат модульдері үшін жылулық, сәулелік және механикалық қиыншылықтар

Маңызды міндетті жүйелердегі қуат модульдері экстремалды орта жағдайларында тез бұзылуға ұшырайды. Ұзақ мерзімді сенімділіктің үш негізгі қауіпі:

Жоғары температура мен термиялық циклдеу кезіндегі қуат модульдерінің бұзылу механизмдері

-40°C мен 125°C арасындағы температура өзгерістері мыналар арқылы жинақталған зақымдануды тудырады:

• Дәк қосылыстарының шаршауы (жылулық есепте пайда болатын істен шығулардың 38% үлесі)
• Конденсаторлардағы электролиттің булануы
• Жылу интерфейс материалдарының қабаттап кетуі

Саладағы мәліметтерге сәйкес, күнделікті термиялық циклдеу әсерінде болатын модульдер тұрақты ортадағыларға қарағанда 3,2 есе тезірек істен шығады.

Қуат ИС-теріндегі сәулелену салдарынан болатын істен шығулар және олардың деректерді беруге әсері

Иондаушы сәулелену екі негізгі істен шығу түрін тудырады:

1. Жалғыз оқиға бойынша лэчап (SEL): Кернеуді реттеуді өшіретін қысқа тұйықталуларды жасайды
2. Жалпы иондаушы доза (TID): MOSFET жетектеу қабілетін 15–60% азайтатын біртіндеп төмендеу

Бұл әсерлер цифрлық байланыста уақыттану қателерін енгізеді, ал X-диапазоны радар жүйелері радиацияға төзімді емес қуаттық ИС пайдаланған кезде бит қатесінің деңгейі 22% өседі.

Зерттеу жағдайы: Атом электр станцияларындағы авариялар кезіндегі байланыс жабдықтарының жұмыс істеуі

2023 жылғы өткізу шартындағы төтенше жағдайларға арналған байланыс жабдықтарын сынау кезінде стандартты қуат модульдері 50 krad/сағ гамма сәулесінде 72 сағат ішінде істен шықты. Алайда, изоляциялы негізіндегі кремний (SOI) технологиясын қолданатын радиацияға төзімді құрылымдар 30 күнге созылған сынақта 94% ПӘК-ін сақтады және ядролық инциденттерге реакция беру кезінде сенімді жұмыс істеу үшін маңызды болып табылады.

Стратегия: Радиацияға төзімді және жылуға төзімді қуат модульдерін таңдау

Үш деңгейлі таңдау негізін қолданыңыз:

1. Радиациялық орта үшін кем дегенде 100 krad TID төзімділігі
2. жылулық соққыға төзімділік сертификаты ≥10 000 цикл (-55°C тан +150°C дейін)
3. Тербеліске төзімділік 15g RMS дейін (MIL-STD-810H)

Қатаң өнеркәсіптік немесе әуе-ғарыш ортасында қолдану үшін мыс-алюминий құрамды табаны бар және герметикалық орамаланған модульдерді басымдық ретінде қарастырыңыз.

Қосымша қорғауы бар электрмен қамтамасыз ету архитектурасындағы жалғыз бұзылу нүктесінің қаупі

Қосымша қорғауы жоқ электрмен қамтамасыз ету жүйелері хабарласу желілері үшін үлкен қиындықтар туғызады. Компоненттің біреуі істен шыққан кезде, жүйенің толық тоқтауына әдетте әкеп соғады. 2023 жылғы Ponemon зерттеуі бойынша компаниялар жылына орташа алғанда күтпеген тоқтап қалудан шамамен 740 000 доллар шығынға ұшырайды. Өткен жылы жергілікті ұялы телефон компаниясының жалғыз қуат көзіндегі конденсаторы істен шыққаны салдарынан 14 сағатқа созылған үлкен авария болды және 12 мыңнан астам тұтынушы қызметсіз қалды. Сала бойынша көптеген мамандар желілердің барлық істен шығу себептерінің шамамен үш төрттен бір бөлігін қуаттың резервтелуін дұрыс жоспарлауға байланысты деп есептейді. Бұл қазіргі уақытта критикалық инфрақұрылымды басқаратын әр адам үшін берік жүйелерді құру міндетті мәселе болып табылатынын көрсетеді.

Принцип: Қуаттандыру жүйесін байланыс хабы үшін N+1 резервтеу моделдері

N+1 резервтеу жүйесі негізгі модульдер жұмыс істеп тұрған кезде бір қосымша модуль дайын тұруы арқылы жұмыс істейді. Ірі байланыс компанияларының есептеріне сәйкес, бұл конфигурация резервтік жүйелері жоқ жүйелермен салыстырғанда істен шығуларды шамамен 92% азайтады. 2023 жылғы шілденің рекордтық температурасы кезінде Аризонадағы Tier-4 деңгейіндегі объектінің мысалын алайық. Негізгі құрылғылар қызып кеткен кезде автоматты түрде резервтік модульдер іске қосылып, серверлері 99,999% қолжетімділікпен жұмысын жалғастырды. Көптеген сарапшылар осындай резервтеудің критикалық маңызды инфрақұрылым жобалары үшін мағыналы болатынына келіседі. Біз қазір бұл шешімді байланыс желілерінде кеңінен қолданып жатырмыз, әсіресе 5G жабдықтары тұрақты бақылауды қажет ететін жерлерде, себебі осы базалық станциялар трафикті тоқтатпай өте көп мөлшерде өңдейді.

Зерттеу жағдайы: Екі қуат модулін қолдану арқылы ұялы базалық станциялардың жұмыс уақытын арттыру

Өткен жылы шамамен 4 500 дуалда екілік қуат модульдерін орнатқаннан кейін бір еуропалық байланыс компаниясы базалық станциялардың сенімділігі шамамен 63 пайызға артқанын байқады. Электр желісінде мәселелер болған кезде, бұл резервтік жүйелер кернеудің төмендеуін жуық шамамен онның сегізінде сәтті түрде өңдеді, яғни осындай қиын сәттерде шақырыптардың азырақ үзілуі мен деректердің азырақ жоғалуы байқалды. Сонымен қатар, бұл жинақтау жалпы алғанда техникалық қызмет көрсетуді әлдеқайда жеңілдетті. Техниктер жабдықтың жұмысын тоқтатпай-ақ ескі модульдерді ауыстыра алды, сондықтан тұтынушылар ешқашан қызмет көрсетудің уақытша тоқтауын байқамады.

Үздіксіз жұмыс істеу үшін ыстық ауыстырылатын қуат модульдерін енгізу

Қосылған кезде ауыстырылатын қуат модульдері істен шыққан блоктардың жұмыс істеуін ең аз деңгейде тоқтату арқылы алмастырылуына мүмкіндік береді. 2023 жылғы метродагы желілік жабдықтарда жүргізілген сынақ нәтижесі дәстүрлі жүйелерге қарағанда түзету уақытын 40% жақсартты, олардың толық өшірілуі қажет болды. Болжамды бақылау жүйелерімен бірге пайдаланылғанда, бұл тәсіл модульдердің істен шығуынан бұрын қызметінің соңына жақындағанын анықтау арқылы орташа жөндеу уақытын (MTTR) төмендетеді.