Cum să alegeți module de alimentare cu randament energetic ridicat pentru BTS?

Înțelegeți cerințele modulelor de alimentare pentru stațiile de bază în rețelele 5G

De ce sarcinile de lucru ale stațiilor de bază necesită eficiență dinamică în consumul de energie

Sarcina de lucru asupra stațiilor de bază 5G variază destul de mult, oscilând între aproximativ 300 de wați, când acestea stau inactiv, și peste 1500 de wați în perioadele de vârf. Aceasta are un impact direct asupra costurilor de exploatare a acestor stații și asupra impactului lor asupra mediului. Configurațiile mai vechi ale rețelelor își distribuie nevoile de energie în mod diferit față de tehnologia 5G, care se bazează în mare măsură pe semnale în bandă milimetrică și pe acele antene mari denumite Massive MIMO. Aceste tehnologii noi concentrează cea mai mare parte a consumului de energie în componente specifice, cunoscute sub denumirea de unități de frecvență radio (RF) sau, pe scurt, AAU (Active Antenna Units), iar aceste componente consumă peste jumătate din energia electrică utilizată la fiecare locație. Atunci când aceste surse de alimentare nu funcționează la capacitatea maximă, ele tind să piardă o cantitate semnificativă de energie, pierderile ajungând uneori la 40 % în cazul în care funcționarea nu este optimă. De aceea, modulele actuale de alimentare trebuie să-și ajusteze nivelurile de eficiență în funcție de condițiile curente, prin intermediul unui sistem de monitorizare în timp real. Acestea ar trebui să reducă consumul de energie în perioadele de liniște, dar să rămână pregătite să treacă imediat în regim de performanță ridicată în cazul unui salt neașteptat al cererii de capacitate a rețelei.

Constrângeri termice și fiabilitate: Cum influențează temperatura de joncțiune durata de viață a modulului de putere

Temperatura de joncțiune joacă un rol major în determinarea duratei de viață a modulelor de putere. Pentru semiconductori, fiecare creștere cu 10 grade Celsius peste 100 de grade reduce la jumătate durata lor de viață estimată. Stațiile de bază compacte 5G ridică provocări particulare pentru componentele din GaN și SiC, deoarece generează o tensiune termică semnificativă. Prelucrarea semnalelor de înaltă frecvență, combinată cu o conversie ineficientă a tensiunii, creează probleme, mai ales atunci când metodele pasive de răcire își ating limitele. Această situație accelerează problemele de electromigrare și determină o uzură mai rapidă a materialelor. Conform datelor obținute în teren, modulele de putere care funcționează la temperaturi superioare lui 125 de grade Celsius înregistrează aproximativ cu 35% mai multe defecțiuni pe an comparativ cu cele menținute în limitele sigure de temperatură. Când companiile implementează strategii inteligente de gestionare termică, cum ar fi proiectarea îmbunătățită a radiatorilor de căldură și sistemele de răcire cu aer forțat, temperatura în punctele fierbinți scade, în medie, cu aproximativ 22 de grade. Aceste îmbunătățiri nu doar protejează componentele, ci reduc și necesarul de energie pentru răcire cu aproximativ 18% pe an. Găsirea acestui echilibru potrivit între performanță și controlul temperaturii rămâne esențială dacă dorim ca aceste sisteme să funcționeze în mod fiabil pe perioade lungi, fără costuri excesive de întreținere.

Evaluarea eficienței modulului de alimentare în diversele stări reale de funcționare ale stațiilor de bază (BTS)

Măsurarea profilurilor dinamice de putere: stare de repaus, sarcină parțială și sarcină maximă, utilizând referințele 3GPP TR 36.814

Pentru a afla cu adevărat dacă un modul de alimentare funcționează bine, trebuie să îl testăm în cele trei stări principale de funcționare BTS recunoscute de industrie: atunci când stă simplu acolo, fără să execute nicio sarcină (stare de repaus), când funcționează la niveluri medii, între 40 % și 70 % din capacitate (sarcină parțială) și când este încărcat la maxim, la întreaga capacitate de 100 % pentru utilizator (sarcină de vârf). Există o normă numită 3GPP TR 36.814, care ne oferă referințe solide pentru crearea unor scenarii realiste de trafic 5G. Și ghiciți ce? Diferențele de consum energetic între aceste moduri pot depăși 60 %, ceea ce reprezintă o variație destul de semnificativă. Când sistemul este în stare de repaus, modulele eficiente mențin în funcțiune acele funcții esențiale de comandă, dar nu absorb prea mult curent, reducând astfel energia pierdută în repaus. Testarea în regim de sarcină parțială ne arată cât de bine se comportă reglarea tensiunii în fața acelor mici vârfuri de putere, fără a genera pierderi excesive prin comutare. În regim de sarcină de vârf, căutăm probleme precum limitarea termică (thermal throttling) și probleme de conversie, deoarece proiectările defectuoase pot duce la pierderi de peste 300 de wați pe oră chiar și în stare de repaus. Simulările speciale Hardware-in-the-Loop ajută la verificarea stabilității în situațiile în care parametrii se modifică brusc, prevenind supratensiunile care afectează performanța radio. Parcurgerea tuturor acestor stări diferite asigură faptul că modulele funcționează eficient în rețelele reale, ceea ce influențează direct costurile operaționale și previne suprăîncălzirea echipamentelor.

Evaluarea caracteristicilor de gestionare a energiei la nivel hardware în modulele de alimentare BTS

Modulele moderne de alimentare pentru stațiile de bază transceiver integrează caracteristici hardware concepute special pentru a satisface cerințele dinamice de putere ale tehnologiei 5G — echilibrând răspunsul rapid, eficiența și rezistența termică.

Performanța modului de repaus: latență versus economii de energie în modulele de alimentare bazate pe GaN

Tehnologia nitru de galiu permite comutarea rapidă între stările active și cele de repaus cu consum redus de energie, ceea ce contribuie la reducerea energiei pierdute atunci când stațiile de bază de transmisie nu transmit în mod activ semnale. Există însă un inconvenient: atunci când sistemele trec în modul de repaus profund, pot economisi aproximativ 70% din energie, dar necesită apoi circa 5–8 milisecunde pentru a reveni la funcționarea normală. Pe de altă parte, menținerea sistemelor în modul de repaus ușor asigură timpi de răspuns aproape instantanei, sub o milisecundă, dar nu conduce la economii de energie la fel de mari. Aceste comutări constante între stări determină, de fapt, creșterea temperaturii componentelor datorită ciclurilor repetitive de încălzire și răcire, ceea ce nu este favorabil nici pentru fiabilitatea pe termen lung. Operatorii de rețea trebuie să decidă modul de configurare al acestor parametri de repaus, în funcție de ceea ce este cel mai important în contextul lor specific. Unii operatori pot prioritiza răspunsurile extrem de rapide pentru serviciile de comunicații ultra-fiabile, cu latență foarte scăzută și esențiale din punct de vedere operațional, în timp ce alții, care gestionează turnuri cu acoperire pe arii extinse, se pot concentra mai mult pe maximizarea economiilor de energie posibile, chiar dacă acest lucru implică timpi ușor mai lungi de pornire.

Tehnici adaptive de scalare a tensiunii și de reducere a puterii pentru o reducere maximă de până la 22%

Scalarea dinamică a tensiunii și frecvenței (DVFS, în forma prescurtată) funcționează prin ajustarea constantă a cantității de energie trimise procesorilor, în funcție de ceea ce aceștia execută într-un anumit moment. Acest sistem analizează, de asemenea, în avans sarcinile de lucru, astfel încât să știe când vor apărea perioade de inactivitate în traficul de date și să poată reduce în mod sigur nivelurile de tensiune în acele momente, economisind în total aproximativ 12–18% din energie. Combinarea acestei tehnici cu o altă metodă, numită reducerea consumului de putere (power discounting), aduce rezultate și mai bune. Reducerea consumului de putere presupune scăderi minime ale tensiunii, care durează doar microsecunde, în acele scurte momente în care procesorul nu este activ. Această combinație poate reduce consumul maxim de putere cu până la 22% în unele cazuri. Pentru orașele aglomerate cu servere și echipamente, astfel de măsuri integrate de eficiență sunt extrem de importante. Soluțiile tradiționale de răcire nu mai sunt suficiente în multe situații, deoarece fie ocupă prea mult spațiu, fie costă pur și simplu prea mult pentru a fi instalate corespunzător.

Comparați strategiile de economisire a energiei la nivelul modulului pentru implementarea durabilă a stațiilor de bază (BTS)

Descompunerea abordărilor de economisire a energiei în componente modulare face stațiile de bază transmițătoare-receptoare mult mai ecologice în ansamblu. Când inginerii separă elemente precum convertoarele CC-CC, controlerele digitale și unitățile de gestionare termică, obțin posibilitatea de a ajusta fin fiecare componentă individual, lucru care nu este posibil în sistemele tradiționale integrate. Luați, de exemplu, gestionarea treptată a puterii: subcontrolerele locale asigură eficiența la nivelul modulului prin tehnici precum ajustarea automată a momentului în care modulele trec în modul de repaus. În același timp, un controller principal gestionează echilibrarea puterii între întregul sistem. Conform unor teste de teren efectuate de GSMA în 2023, această configurație reduce consumul de energie risipit în perioadele de inactivitate cu aproximativ 19%. Izolarea termică separată a fiecărui modul de alimentare cu energie împiedică răspândirea căldurii în întreaga echipamentă. Acest lucru implică necesitatea unor soluții de răcire mai puțin agresive, ceea ce reduce costurile de răcire cu aproximativ 30%. Posibilitatea de a scala componentele separat reprezintă un alt avantaj major pentru planificarea pe termen lung. Operatorii de rețea nu sunt nevoiți să înlocuiască întreaga instalație atunci când anumite părți încep să întâmpine dificultăți sub sarcini mari; pot înlocui doar zonele problematice, cum ar fi convertoarele pentru sarcini de vârf. Pe o perioadă de zece ani, această abordare permite economisirea între 8 și 12 tone de deșeuri electronice pe locație. Toate aceste îmbunătățiri înseamnă echipamente cu durată de viață mai lungă, amprente de carbon mai mici și o pregătire mai bună pentru noile cerințe de alimentare care vor apărea odată cu dezvoltarea tehnologiei 5G.