Як вибрати енергоефективні модулі живлення для BTS?

Зрозуміти вимоги до модулів живлення базових станцій у мережах 5G

Чому навантаження на базові трансивери вимагають динамічної енергоефективності

Навантаження на базові станції 5G насправді досить сильно варіює: воно становить близько 300 Вт, коли станції просто «сидять» й нічого не роблять, і може перевищувати 1500 Вт у періоди пікового навантаження. Це безпосередньо впливає як на вартість експлуатації таких станцій, так і на їхній екологічний вплив. У старих мережевих архітектурах споживання електроенергії розподілялося інакше, ніж у технології 5G, яка значною мірою покладається на сигнали міліметрового діапазону та великі антені масиви, відомі як Massive MIMO. У цих новіших технологіях основна частина енергоспоживання концентрується в окремих компонентах — радіочастотних блоках (RF-модулях) або, скорочено, AAU (Active Antenna Units), які споживають понад половину всієї електроенергії на кожному об’єкті. Коли джерела живлення працюють не на повну потужність, вони також схильні до значних енергетичних втрат — при неоптимальному режимі роботи втрати можуть сягати й 40 %. Саме тому сучасні модулі живлення мають адаптувати свій ККД залежно від поточних умов за допомогою системи оперативного моніторингу. Вони повинні зменшувати енергоспоживання в періоди низького навантаження, але залишатися готовими миттєво перейти в режим максимальної продуктивності при раптовому зростанні потреби в мережевій пропускній здатності.

Термічні обмеження та надійність: як температура p-n-переходу впливає на термін служби силового модуля

Температура в точці з’єднання відіграє ключову роль у визначенні терміну служби силових модулів. Для напівпровідників кожне підвищення температури на 10 °C понад 100 °C скорочує їхній розрахунковий термін експлуатації вдвічі. Компактні базові станції 5G створюють особливі виклики для компонентів на основі нітриду галію (GaN) та карбіду кремнію (SiC), оскільки вони викликають значний тепловий стрес. Обробка високочастотних сигналів у поєднанні з неефективним перетворенням напруги призводить до проблем, особливо коли пасивні методи охолодження досягають своїх меж. Ця ситуація прискорює електроміграційні процеси й сприяє швидшому зношуванню матеріалів. Згідно з даними, отриманими в умовах експлуатації, силові модулі, що працюють при температурі понад 125 °C, мають приблизно на 35 % більше відмов щороку порівняно з модулями, які підтримуються в межах безпечного температурного діапазону. Коли компанії впроваджують інтелектуальні стратегії теплового управління — наприклад, удосконалені конструкції радіаторів або системи примусового повітряного охолодження — середнє зниження температури «гарячих точок» становить близько 22 °C. Такі покращення не лише захищають компоненти, а й скорочують витрати енергії на охолодження приблизно на 18 % щороку. Знаходження оптимальної рівноваги між продуктивністю та контролем температури залишається критично важливим, якщо ми хочемо, щоб ці системи надійно функціонували протягом тривалого часу без надмірних витрат на технічне обслуговування.

Оцінка ефективності силового модуля в умовах реального функціонування базових станцій

Вимірювання динамічних профілів споживання потужності: режим очікування, часткове навантаження та пікове навантаження з використанням бенчмарків 3GPP TR 36.814

Щоб дійсно зрозуміти, чи добре працює модуль живлення, його потрібно протестувати в трьох основних станах роботи BTS, які визнані галуззю: коли він просто перебуває в стані спокою й нічого не робить (режим очікування), працює на середніх рівнях навантаження — від 40 до 70 % потужності (часткове навантаження) та працює на максимальному рівні — повна користувацька потужність 100 % (пікове навантаження). Існує стандарт 3GPP TR 36.814, який надає надійні еталонні показники для створення реалістичних сценаріїв 5G-трафіку. І що ви думаєте? Різниця у споживанні енергії між цими режимами може перевищувати 60 % — це досить значно. У режимі очікування ефективні модулі забезпечують безперервну роботу критичних функцій керування, але не споживають надмірного струму, що зменшує втрати енергії в стані спокою. Тестування за умов часткового навантаження демонструє, наскільки добре регулювання напруги протидіє невеликим спалахам потужності, не викликаючи надмірних втрат у процесі перемикання. У режимі пікового навантаження ми шукаємо такі проблеми, як теплове обмеження потужності (thermal throttling) та проблеми перетворення енергії, оскільки неякісні конструкції можуть витрачати понад 300 Вт щогодини навіть у стані простої. Спеціальні симуляції «апарату в контурі» (Hardware-in-the-Loop) допомагають перевірити стабільність системи при раптових змінах параметрів і запобігають перевищенню напруги, що погіршує роботу радіоканалів. Пройшовши всі ці різні режими, ми гарантуємо ефективну роботу модулів у реальних мережах — це безпосередньо впливає на експлуатаційні витрати та запобігає перегріву обладнання.

Оцінка функцій керування живленням на рівні апаратного забезпечення в модулях живлення BTS

Сучасні модулі живлення базової станції передавання/приймання інтегрують спеціалізовані апаратні функції для задоволення динамічних вимог живлення 5G — забезпечуючи баланс між швидкістю реакції, ефективністю та термічною стійкістю.

Продуктивність режиму сну: затримка vs. енергозбереження в модулях живлення на основі GaN

Технологія нітриду галію дозволяє швидко перемикатися між активним і станом сплячого режиму з низьким енергоспоживанням, що допомагає зменшити втрати енергії, коли базові станції передавання не передають сигнали активно. Однак існує й недолік. Коли системи переходять у глибокий сплячий режим, вони можуть зберегти близько 70 % енергії, але для пробудження потрібно приблизно 5–8 мілісекунд. З іншого боку, підтримка легкого сплячого режиму забезпечує практично миттєву реакцію — менше одного мілісекунди, — але економія енергії в такому випадку менша. Постійне перемикання між цими станами фактично підвищує температуру компонентів через цикли нагрівання й охолодження, що також негативно впливає на довготривалу надійність. Операторам мереж потрібно вирішити, як встановити параметри сплячого режиму, керуючись тим, що є найважливішим у їхній конкретній ситуації. Деякі можуть надавати перевагу надзвичайно швидкій реакції для критично важливих сервісів ультранадійного зв’язку з низькою затримкою, тоді як інші, що експлуатують базові станції з великим радіусом покриття, ймовірно, більше зацікавлені в максимально можливій економії енергії, навіть якщо це означає трохи повільніші часи запуску.

Адаптивне масштабування напруги та методи зниження потужності для досягнення пікового зниження на 22 %

Динамічне масштабування напруги та частоти, або DVFS (скорочено), працює шляхом постійної адаптації кількості електроенергії, що подається до процесорів, залежно від того, які саме завдання вони виконують у будь-який момент часу. Ця система також передбачає навантаження, тож вона «знає», коли настануть періоди низької інтенсивності руху даних і може безпечно знизити рівень напруги в цей час, економлячи загалом близько 12–18 % енергії. Поєднання цього підходу з так званим «зниженням потужності» робить ефект ще вищим. Зниження потужності полягає в тому, що під час коротких періодів простою процесора напруга знижується на мікросекунди. Таке поєднання в окремих випадках дозволяє зменшити пікове споживання потужності до 22 %. Для міст, що переповнені серверами й обладнанням, такі вбудовані заходи щодо підвищення енергоефективності мають велике значення. Традиційні рішення для охолодження більше не задовольняють вимог у багатьох ситуаціях, оскільки вони або займають надто багато місця, або просто занадто дорогі у встановленні.

Порівняння стратегій енергозбереження на рівні модулів для сталого розгортання BTS

Розбиття підходів до енергозбереження на модульні компоненти робить базові станції передавання й приймання набагато екологічнішими в цілому. Коли інженери окремо виділяють такі елементи, як перетворювачі постійного струму, цифрові контролери та системи теплового управління, вони отримують можливість точно налаштувати кожну частину окремо — що просто неможливо у традиційних монолітних системах. Візьмемо, наприклад, багаторівневе управління живленням. Локальні підконтролери забезпечують ефективність на рівні модулів за допомогою таких методів, як автоматичне введення модулів у режим сну. У той самий час головний контролер відповідає за балансування потужності в усій системі. Згідно з деякими польовими випробуваннями, проведеними GSMA у 2023 році, така конфігурація зменшує втрати енергії в періоди простою приблизно на 19 %. Теплова ізоляція кожного модуля живлення запобігає поширенню тепла по всьому обладнанню. Це означає, що можна використовувати менш потужні системи охолодження, що знижує витрати на охолодження приблизно на 30 %. Можливість окремого масштабування компонентів — ще одна велика перевага для довгострокового планування. Оператори мереж не змушені замінювати цілі системи, коли окремі їхні частини починають не впоратися з великими навантаженнями. Вони можуть просто замінити лише ті проблемні ділянки, наприклад, перетворювачі для пікових навантажень. За десять років це дозволяє зберегти від 8 до 12 тонн електронних відходів на одне розташування. Усі ці покращення означають довший термін служби апаратного забезпечення, менший вуглецевий слід і кращу готовність до нових вимог щодо живлення, які виникатимуть разом із подальшим розвитком технології 5G.