Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Projektanci zasilania stawiają czoła wyzwaniom wraz z rozwojem sieci 5G

ghost666 04 Oct 2022 17:51 504 0
Computer Controls
  • Projektanci zasilania stawiają czoła wyzwaniom wraz z rozwojem sieci 5G
    Małe ogniwa dla sieci 5G.
    Technologia 5G New Radio (NR) zasadniczo różni się od swojego poprzednika 4G i nie jest tylko prostą wersją rozwojową istniejącej infrastruktury. Zastosowanie technologii Mass-MIMO, zintegrowanego dostępu i backhaulu oraz formowania wiązki z widmem fal milimetrowych (mmWave) pracującym do 71 GHz, daje 5G NR możliwość zapewnienia ogromnych poziomów przepustowości w łączności bezprzewodowej i prędkości w zakresie wielu gigabitów na sekundę przy opóźnieniach rzędu jednej milisekundy.

    Nic dziwnego, że oczekuje się, że sektor 5G NR odnotuje bardzo szybki skok, ponieważ użytkownicy będą naciskać na dostęp do tej technologii. Firma badawcza Research And Markets szacuje, że rynek infrastruktury 5G będzie zwyżkować ze skumulowaną roczną stopą wzrostu na poziomie 55% w latach 2021-2026, aby osiągnąć na koniec tego okresu wielkość z zakresu 115,4 miliarda dolarów.

    Za tym wzrostem kryje się również wymóg, aby bardzo duża liczba małych komórek zapewniała zasięg w obrębie wzroku, niezbędny dla działania przy wyższych częstotliwościach wykorzystywanych przez 5G NR, co wymaga zmiany architektury stacji komórkowej oraz zmniejszenia ogólnego rozmiaru i wagi platform bazowych (BTS-ów). Ogniwa tego rodzaju znajdą się w wielu miejscach, w tym w oświetleniu ulicznym i budynkach — niemal wszędzie, gdzie jest wysokość i dostępne jest zasilanie. A właśnie to ostatnie jest jednym z kluczowych wyzwań dla 5G. Obecnie według MTN Consulting energia elektryczna dla sieci 4G stanowi około 5-6% kosztów działalności operatora komórkowego. 5G NR będzie potrzebowało co najmniej dwa razy więcej mocy, a biorąc pod uwagę obecne wzrosty dotyczące cen energii, wydatki operacyjne znacznie skoczą.

    Wyzwanie zasilania systemów 5G

    Wśród różnic między 5G a poprzednimi technologiami (2G, 3G i 4G) jest architektura wewnętrznej stacji bazowej. We wcześniejszych systemach wzmacniacz mocy (PA) i zasilacz (PSU) były całkowicie oddzielne z własnym mechanizmem zarządzania temperaturą i chłodzeniem — zwykle radiatorem. W przypadku 5G NR prawdopodobnie zasilacz zostanie zintegrowany ze zdalną jednostką radiową (RRU), tworząc aktywną jednostkę antenową (AAU), która będzie miała pojedynczy, wspólny dla obu modułów radiator.

    Projektanci zasilania stawiają czoła wyzwaniom wraz z rozwojem sieci 5G
    Różnica między architekturą wewnętrznej stacji bazowej 5G a wcześniejszą generacją.


    Zmiana architektury niesie ze sobą więcej wyzwań w projektowaniu zasilania, co w połączeniu z takimi problemami, jak ograniczona przestrzeń, podwyższone temperatury, wymagania szczelności z uwagi na otaczające środowisko i potrzeba lekkich rozwiązań, jeszcze bardziej komplikuje projektowanie mechanizmów zasilania AC/DC dla systemów 5G. Sytuację dodatkowo pogarsza fakt, że wzmacniacze mocy są zazwyczaj mniej wydajne niż zasilacze, w konsekwencji podnosi się temperatura tego ostatniego i współdzielonego radiatora z ok. 85˚C do blisko 100˚C. Ta wzmożona termika może potencjalnie wpłynąć na niezawodność, ponieważ ciepło jest kluczowym czynnikiem przyczyniającym się do awarii komponentów.

    Opierając się na ogólnej zasadzie, że MTBF dla zasilacza zmniejsza się o połowę na każde 10˚C wzrostu temperatury podzespołu, można zauważyć, że integracja może skrócić żywotność jednostki o od 50% do 75%. Jest to ważne, ponieważ operatorzy telefonii komórkowej oczekują okresów eksploatacji zasilaczy w zakresie od 7 do 10 lat, ze względu na ogromną liczbę wdrożonych urządzeń, a także trudności i koszty dostępu i wymiany.

    Integralność sygnału jest podstawowym wymogiem każdego systemu radiowego, takiego jak 5G. Jednak konsolidacja PSU i RRU w celu stworzenia jednostki AAU zwiększa prawdopodobieństwo zaburzeń sygnału, które pogorszyłyby wydajność mechanizmu. Kwestia interferencji dotyczy dwóch ujęć. Po pierwsze, kluczowanie sygnału zasilaczy generuje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które muszą być limitowane w ścisłych granicach, aby zapewnić, że nie będą torpedować PA lub RRU. Zasilacz musi być również odpowiednio ekranowany, aby sygnały radiowe 5G nie zaburzały jego pracy.

    Pasywna intermodulacja jest kłopotliwa, gdy wiele impulsów przechodzi przez złącza utworzone z różnych materiałów — w tym luźne połączenia kablowe, zanieczyszczone powierzchnie, słabe dupleksery lub przestarzałe anteny — i miesza się, aby wytworzyć sygnały sumaryczne oraz różnicowe w tym samym paśmie, generując w ten sposób zakłócenia. Należy to wziąć pod uwagę we wszystkich aspektach projektowania, aby upewnić się, że nie stanie się to problemem.

    Sprostanie wyzwaniom związanym z mocą

    Podjęto różne starania mające na celu zmniejszenie zużycia energii przez stacje bazowe 5G NR. Jedno podejście polegało na wymianie anten 64T64R MIMO na mniej energochłonne 8T8R lub 32T32R. Chociaż redukuje to wykorzystanie zasobów, jest także kompromisem w zakresie wydajności systemu radiowego. Jednak istotnie — dodatkowe wzmacniacze mocy faktycznie zwiększają zapotrzebowanie na energię w wielu przypadkach.

    Projektanci zasilania stawiają czoła wyzwaniom wraz z rozwojem sieci 5G
    Radiator zasilaczy będzie wymagany w zastosowaniach 5G.


    Praca impulsowa jest przez wielu postrzegana jako potencjalne rozwiązanie. Ponieważ stacja bazowa 5G jest w stanie analizować natężenie ruchu, może przechodzić w: „tryb uśpienia”, gdy ten jest niewielki. Jest to znacząca przewaga nad 4G, gdzie to ujęcie jest nieustannie aktywne, stale przesyłając sygnały referencyjne w celu wykrywania użytkowników. Jednak nawet w trybie uśpienia podstawowe funkcje muszą nadal działać — między innymi w celu umożliwienia wykonywania połączeń alarmowych (911), a także zapewnienia nieprzerwanego ruchu związanego z Internetem Rzeczy (IoT).

    Podstawowa technologia półprzewodnikowa ma do odegrania ważną rolę, jeśli chodzi o sprostanie niektórym wyzwaniom. Rzeczywiście, branża półprzewodników przechodzi obecnie fundamentalną zmianę, aby podołać szybko zmieniającym się potrzebom wielu sektorów, w tym motoryzacji, energii odnawialnej i systemom komunikacji 5G. Aplikacje te wymagają jeszcze wyższych poziomów sprawności i niezawodności w trudnych warunkach i przy pracy w podwyższonych temperaturach.

    Od dziesięcioleci krzem jest podstawą urządzeń półprzewodnikowych. Jednak w najtrudniejszych zastosowaniach jest on zastępowany przez nowe materiały o szerokiej przerwie energii wzbronionej (WBG), w tym (głównie) węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN). Wyższa mobilność elektronów w tych budulcach niesie ze sobą szereg korzyści, które są istotne w kontekście wymagających aplikacji energetycznych.

    Projektanci zasilania stawiają czoła wyzwaniom wraz z rozwojem sieci 5G
    Zalety urządzeń WBG w ujęciach potrzebujących wysokiej wydajności i sprawności.


    W przypadku urządzeń półprzewodnikowych wykonanych z WBG straty statyczne i przy przełączaniu są niższe w porównaniu z równoważnymi urządzeniami krzemowymi (Si). Zwiększa to sprawność systemu i pozwala na pracę przy wyższych częstotliwościach, co z kolei pozwala na mniejsze i tańsze elementy pasywne w układach przetwarzania energii. Pomaga to również zredukować wagę całości, co ma kluczowe znaczenie dla anten 5G mmWave, ponieważ często trzeba je umieszczać na masztach, aby osiągnąć wysokość niezbędną do pokonania przeszkód terenowych przez sygnał. Jeśli ciężar anteny można utrzymać na niższym poziomie, projekt i rozmieszczenie masztu jest prostsze, bardziej elastyczne i tańsze.

    Ponadto elementy z WBG mogą pracować w podwyższonych temperaturach, co zwiększa ich niezawodność. Wreszcie, SiC i GaN mają również tendencję do wytwarzania nie tak dotkliwych zakłóceń elektromagnetycznych, co oznacza, że wymagane jest mniejsze filtrowanie i ekranowanie — bardzo przydatna zaleta w systemach 5G, jak wskazywano powyżej.

    Technologia 5G stanowi znaczącą zmianę w stosunku do poprzednich podejść, z wyższymi częstotliwościami wymagającymi bliższego rozmieszczenia stacji bazowych i ulokowania znacznie większej liczby tych komórek. Chociaż modyfikacje te dostarczą solidnego, wydajnego rozwiązania komunikacyjnego o wiele większej przepustowości i niższych opóźnieniach niż kiedykolwiek wcześniej, wiąże się to również z poważnymi wyzwaniami — zwłaszcza w zakresie zasilania systemów BTS. W zależności od komórki i konkretnych ujęć projektowych, wymagania dotyczące zasilania AC/DC dla wdrożeń sieci 5G RAN mogą wynosić od zaledwie kilkuset watów do wielu kilowatów.

    Zasilacze używane w aplikacjach o niższym poborze mocy są zwykle wbudowane i opierają się na antenie jako radiatorze chłodzącym i szczelnej obudowie w celu ochrony przed pyłem i wilgocią. W przypadku zasilania jednostki pasma podstawowego, jednostek radiowych i ładowania lokalnej jednostki podtrzymania bateryjnego często stosuje się zasilacze o większej mocy przeznaczone do użytku na zewnątrz systemu, z których każdy jest niezależny w swojej własnej obudowie. Na ogół ta ostatnia wykazuje klasę ochrony IP65.

    Zasilacze te można łączyć równolegle, aby zapewnić jeszcze wyższą moc wyjściową. Rozwiązanie to pomaga użytkownikom konfigurować kompaktowe systemy zasilania masowego, które gwarantują bardzo wysokie możliwości wyjściowe wymagane przez wiele aplikacji 5G.

    Maksymalizacja sprawności jest ważna z kolei dla kontrolowania kosztów eksploatacji sieci, która zużyje co najmniej dwa razy więcej energii niż jej poprzednicy, ale także zapewni niezawodną pracę pomimo wyższych temperatur i minimalnych możliwości chłodzenia. Podstawowa modyfikacja architektury może pomóc w sprostaniu wyzwaniom związanym z zasilaniem, ale zmieniające się struktury zwiększają potencjał dla powstawania zakłóceń, które mogłyby obniżyć efektywność sieci.

    Rozwiązanie powyższych problemów polega na inteligentnym działaniu dzięki zasilaniu impulsowemu i wdrożeniu nowych technologii półprzewodnikowych, w tym elementów z WBG, które pozwalają na rozwój jeszcze bardziej wytrzymałych, wydajnych i kompaktowych subsystemów zasilania.

    Źródło: https://www.eeweb.com/power-designers-face-challenges-with-the-rise-of-5g/

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11403 posts with rating 9631, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls