Как выбрать энергоэффективные модули питания для BTS?

Понимание требований к силовым модулям базовых станций в сетях 5G

Почему рабочие нагрузки базовой станции требуют динамической энергоэффективности

Нагрузка на базовые станции 5G на самом деле варьируется довольно значительно — от примерно 300 Вт, когда они простаивают без нагрузки, до более чем 1500 Вт в периоды пиковой загрузки. Это напрямую влияет как на стоимость эксплуатации таких станций, так и на их экологическое воздействие. В устаревших сетевых конфигурациях потребление энергии распределяется иначе по сравнению с технологией 5G, которая в значительной степени полагается на миллиметровые волны и крупные антенные решётки, называемые Massive MIMO. В этих новых технологиях основная часть энергопотребления сосредоточена в специализированных компонентах, известных как радиочастотные блоки (RFU) или, в сокращённом виде, AAU (Active Antenna Units), и на долю этих компонентов приходится более половины всего электропотребления каждой станции. Когда такие источники питания работают не на полную мощность, они также теряют значительное количество энергии — потери могут достигать 40 % при неоптимальном режиме работы. Именно поэтому современные модули питания должны адаптировать свой КПД в зависимости от текущих условий с помощью системы мониторинга в реальном времени. Они должны снижать энергопотребление в периоды низкой нагрузки, но при этом оставаться готовыми мгновенно перейти в режим повышенной производительности при неожиданном всплеске спроса на пропускную способность сети.

Тепловые ограничения и надёжность: как температура перехода влияет на срок службы силового модуля

Температура в точке соединения играет ключевую роль при определении срока службы силовых модулей. Для полупроводников каждое повышение температуры на 10 °C сверх 100 °C сокращает их срок службы вдвое. Компактные базовые станции стандарта 5G создают особые трудности для компонентов на основе нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC), поскольку они вызывают значительные тепловые нагрузки. Обработка высокочастотных сигналов в сочетании с неэффективным преобразованием напряжения порождает проблемы, особенно когда пассивные методы охлаждения достигают своих пределов. Такая ситуация ускоряет процессы электромиграции и приводит к более быстрому износу материалов. Согласно данным, полученным в ходе эксплуатации, силовые модули, работающие при температуре выше 125 °C, демонстрируют примерно на 35 % больше отказов в год по сравнению с модулями, функционирующими в безопасном температурном диапазоне. При внедрении компаниями интеллектуальных стратегий теплового управления — например, улучшенных конструкций теплоотводов и систем принудительного воздушного охлаждения — среднее снижение температуры «горячих точек» составляет около 22 °C. Такие усовершенствования не только защищают компоненты, но и сокращают потребление энергии на охлаждение примерно на 18 % ежегодно. Поиск оптимального баланса между производительностью и контролем температуры остаётся критически важной задачей, если мы хотим обеспечить надёжную работу этих систем в течение длительного времени без чрезмерных затрат на техническое обслуживание.

Оценка эффективности силового модуля в реальных рабочих состояниях базовой станции (BTS)

Измерение динамических профилей потребляемой мощности: режим ожидания, частичная нагрузка и пиковая нагрузка с использованием эталонных тестов 3GPP TR 36.814

Чтобы действительно оценить, насколько хорошо работает модуль питания, его необходимо протестировать в трёх основных рабочих состояниях BTS, признанных отраслью: когда он просто находится в режиме ожидания и ничего не делает (режим простоя), работает на среднем уровне нагрузки — от 40 до 70 % мощности (частичная нагрузка) и функционирует на максимальной мощности — при полной 100 %-ной загрузке пользователей (пиковую нагрузку). Существует стандарт 3GPP TR 36.814, который задаёт надёжные эталонные показатели для моделирования реалистичных сценариев трафика 5G. И знаете что? Различия в энергопотреблении между этими режимами могут превышать 60 % — это весьма существенно. В режиме простоя эффективные модули поддерживают работу критически важных управляющих функций, но потребляют минимальный ток, тем самым снижая потери энергии в нерабочем состоянии. Тестирование при частичной нагрузке позволяет оценить, насколько точно регулируется выходное напряжение при небольших всплесках мощности, не вызывая чрезмерных потерь на переключение. При пиковой нагрузке мы выявляем такие проблемы, как тепловое ограничение (thermal throttling) и неэффективность преобразования энергии: в случае неудачного проектирования модуля потери могут составлять более 300 Вт каждый час даже в режиме простого пребывания в сети. Специальные аппаратно-ориентированные (Hardware-in-the-Loop) имитационные испытания позволяют проверить стабильность работы при резких изменениях параметров и предотвратить выбросы напряжения, которые ухудшают радиоперformance. Прохождение всех этих различных режимов гарантирует, что модули будут работать эффективно в реальных сетях, что напрямую влияет на эксплуатационные расходы и предотвращает перегрев оборудования.

Оценка функций управления питанием на аппаратном уровне в модулях питания BTS

Современные модули питания базовых станций передатчиков-приёмников интегрируют специализированные аппаратные функции для удовлетворения динамических требований к энергопотреблению сетей 5G — обеспечивая баланс между отзывчивостью, эффективностью и термостойкостью.

Производительность режима сна: задержка по сравнению с энергосбережением в модулях питания на основе нитрида галлия (GaN)

Технология нитрида галлия позволяет быстро переключаться между активным состоянием и состоянием пониженного энергопотребления (режим сна), что помогает сократить потери энергии, когда базовые станции не передают сигналы. Однако здесь есть одна особенность: при переходе систем в режим глубокого сна экономия энергии составляет около 70 %, но на пробуждение требуется примерно от 5 до 8 миллисекунд. С другой стороны, поддержание устройства в режиме лёгкого сна обеспечивает почти мгновенное время отклика — менее одной миллисекунды, — однако энергосбережение в этом случае значительно ниже. При этом постоянные переключения между этими состояниями приводят к повышению температуры компонентов из-за циклов нагрева и охлаждения, что также негативно сказывается на долгосрочной надёжности. Операторам сетей необходимо определить параметры режимов сна исходя из приоритетов конкретной ситуации: одним важнее обеспечить сверхбыстрый отклик для критически важных служб ультранадёжной связи с низкой задержкой, тогда как другим, эксплуатирующим вышки с большой зоной покрытия, вероятно, важнее достичь максимальной возможной экономии энергии, даже если это потребует несколько более длительного времени запуска.

Адаптивное масштабирование напряжения и методы снижения потребляемой мощности для достижения пикового снижения до 22 %

Динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) работает путём постоянной корректировки уровня подаваемой на процессоры мощности в зависимости от их текущей нагрузки. Эта система также прогнозирует будущие рабочие нагрузки, чтобы заранее определять периоды низкой интенсивности передачи данных и безопасно снижать при этом уровень напряжения, что в целом позволяет сэкономить от 12 до 18 процентов энергии. Комбинирование DVFS с так называемым «снижением потребляемой мощности» ещё больше повышает эффективность. Снижение потребляемой мощности предполагает кратковременное (всего на несколько микросекунд) понижение напряжения в те моменты, когда процессор простаивает. В совокупности такие меры позволяют снизить пиковое энергопотребление до 22 процентов в отдельных случаях. Для городов с высокой плотностью серверов и оборудования подобные встроенные механизмы энергоэффективности имеют исключительно важное значение. Традиционные решения для охлаждения во многих ситуациях уже не соответствуют требованиям: либо они занимают слишком много места, либо их установка обходится чрезмерно дорого.

Сравнение стратегий энергосбережения на уровне модуля для устойчивого развертывания базовых станций (BTS)

Разделение подходов к энергосбережению на модульные компоненты делает базовые станции связи значительно более экологичными в целом. Когда инженеры выделяют отдельные элементы, такие как преобразователи постоянного тока (DC-DC), цифровые контроллеры и блоки теплового управления, у них появляется возможность тонкой настройки каждого компонента по отдельности — чего невозможно добиться в традиционных моноблочных системах. Возьмём, к примеру, многоуровневое управление питанием: локальные подконтроллеры обеспечивают энергоэффективность на уровне модулей, применяя такие методы, как автоматическое переведение модулей в спящий режим. Одновременно главный контроллер управляет балансировкой мощности по всей системе. Согласно некоторым полевым испытаниям, проведённым GSMA в 2023 году, такая конфигурация снижает потери энергии в периоды простоя примерно на 19 %. Тепловая изоляция каждого модуля питания предотвращает распространение тепла по всему оборудованию. В результате можно использовать менее интенсивные решения для охлаждения, что снижает расходы на охлаждение примерно на 30 %. Возможность масштабирования компонентов независимо друг от друга — ещё одно важное преимущество при долгосрочном планировании. Операторы сетей не обязаны заменять всю систему целиком, когда отдельные её части начинают не справляться с высокими нагрузками: достаточно заменить только проблемные участки, например, преобразователи пиковой нагрузки. За десять лет это позволяет сэкономить от 8 до 12 тонн электронных отходов на каждую точку размещения. Все эти усовершенствования обеспечивают более длительный срок службы оборудования, снижение углеродного следа и лучшую готовность к новым требованиям к энергопотреблению, возникающим вместе с развитием технологий 5G.