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5G商用案例需要直流電源效率支撐

發(fā)布時(shí)間:2019-05-21 來源:James Zhang 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】5G有望為全互聯(lián)社會(huì)帶來無數(shù)新的應(yīng)用,而使數(shù)據(jù)傳輸呈指數(shù)性地增長。與此同時(shí),5G NR(新空口)的設(shè)計(jì)需要支持?jǐn)?shù)十億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備,這又會(huì)推動(dòng)全球網(wǎng)絡(luò)中的基站數(shù)量大幅增長?;緮?shù)量增加就需要提供更多的電力,數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量也會(huì)增加,但是同時(shí),網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商卻在降低能源成本方面面臨著環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙重壓力。
 
本文將介紹這些挑戰(zhàn),以及Flex等機(jī)構(gòu)如何通過DC/DC轉(zhuǎn)換和高效小型電源解決方案等創(chuàng)新技術(shù)來幫助運(yùn)營商和數(shù)據(jù)中心所有者解決這些問題。
 
5G概述
 
隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛汽車和虛擬現(xiàn)實(shí)等創(chuàng)新的推動(dòng),目前的無線網(wǎng)絡(luò)正在緊跟全世界對數(shù)據(jù)不斷增長和永不滿足的渴望。鑒于此,2015年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了5G規(guī)范(圖1),其中包括許多苛刻的要求,包括高達(dá)20GB/s的峰值數(shù)據(jù)速率(比4G快10到20倍)、超低延遲,以及連接密度高達(dá)100萬臺(tái)設(shè)備/km2。
 
5G商用案例需要直流電源效率支撐
圖1:5G所選關(guān)鍵性能指標(biāo)
(來源:《5G for Connected Industries and Automation》,2nd edition,white paper,5GACIA,November 2018)
 
為了滿足這些苛刻要求,5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員采用了許多革新技術(shù),包括:
 
● 具有波束成形的大規(guī)模MIMO,將之用于5G無線接入網(wǎng)(RAN)
● 使用30GHz及以上的毫米波頻率,以便提供5G規(guī)范所需的巨大帶寬
● 包括網(wǎng)絡(luò)切片在內(nèi)的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)管理功能,從而允許為特定應(yīng)用定制服務(wù)
 
互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)性
 
一些分析師預(yù)測,到2023年底,數(shù)據(jù)速率將達(dá)到每月近107艾字節(jié)(EB)(復(fù)合年增長率為39%)。此外,2011年的一項(xiàng)參考研究計(jì)算得出,每GB的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)使用,就需要大約5kWh的電能支持——如果功耗隨數(shù)據(jù)的使用量呈線性增長,那么這一數(shù)據(jù)將導(dǎo)致一些驚人結(jié)果。
 
因此,如果5G技術(shù)要兼具環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)可行性,那么其功耗就需要大幅降低。接下來的章節(jié)將研究5G的一些能源成本驅(qū)動(dòng)因素,以及一些降低5G能耗的潛在解決方案。
 
運(yùn)營商和數(shù)據(jù)中心所有者面臨的具體挑戰(zhàn)
 
5G的推出將給網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商帶來諸多挑戰(zhàn)。
 
在網(wǎng)絡(luò)方面,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等應(yīng)用的大量連接需求,加之毫米波的傳播特性,將會(huì)推動(dòng)基站數(shù)量的大幅增長。并且,由于采用大規(guī)模MIMO技術(shù),5G基站將會(huì)擁有多達(dá)64個(gè)發(fā)射器。在沒有采取任何效率措施的情況下,對于具有64個(gè)發(fā)射器的5G有源天線單元(AAU),典型雙發(fā)射器4G射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)的300W輸入功率要求將轉(zhuǎn)變成1100至1500W。鑒于基站已經(jīng)占網(wǎng)絡(luò)總功耗的60%,運(yùn)營商的能源成本估計(jì)為運(yùn)營支出的15%,這樣大的功耗將不可持續(xù),5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須采用創(chuàng)新的效率措施。
 
射頻功率放大器(RFPA)是5G無線網(wǎng)絡(luò)中最昂貴和耗電的元器件之一。氮化鎵(GaN)晶體管由于其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大帶寬和高效率特性,在基站級別,RFPA設(shè)計(jì)人員越來越多地從LDMOS轉(zhuǎn)移到這種器件。同時(shí),包絡(luò)跟蹤/恢復(fù)(ET/ER)RFPA已成為關(guān)鍵的RFPA設(shè)計(jì)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)具有高峰均功率比(PAPR)的調(diào)制信號的高效和線性放大。ET/ER需要采用非常高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器,從而與已調(diào)RF輸入信號的幅度變化同步改變寬帶RFPA的輸出偏壓。
 
在數(shù)據(jù)中心方面,需要增加處理能力和存儲(chǔ)容量來處理不斷增長的數(shù)據(jù)量,也就是說需要采用更多的服務(wù)器、機(jī)架、電源、冷卻以及空間。然而,一些研究報(bào)告估計(jì),數(shù)據(jù)中心會(huì)消耗全球3%的電力并排放2%的全球溫室氣體,鑒于此,數(shù)據(jù)中心面臨著巨大的壓力,既要降低能耗,又要增加可再生能源的使用。
 
因此,網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商面臨著將更多功能集成到更小空間和降低能耗的雙重挑戰(zhàn)。雖然在這兩種環(huán)境中都存在超簡潔(ultra-lean)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和虛擬化等能效技術(shù),但數(shù)字電源管理和DC轉(zhuǎn)換技術(shù)已改變了系統(tǒng)設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)了更高效、緊湊的服務(wù)器等電子設(shè)備。數(shù)字電源模塊結(jié)合了數(shù)字通信和高密度、高效率模塊化DC/DC解決方案的優(yōu)勢,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠以小尺寸開發(fā)更緊湊、更高效的產(chǎn)品。由于設(shè)計(jì)人員可以利用電源模塊中的功能以及一系列支持工具,從而擺脫復(fù)雜的電源設(shè)計(jì),專注于增值產(chǎn)品功能的開發(fā),因此新產(chǎn)品開發(fā)的上市時(shí)間得到縮短。
 
5G商用案例需要直流電源效率支撐
圖2:Flex電源模塊PKJ系列DC-DC轉(zhuǎn)換器
(來源:https://flex.com/expertise/power/scalable-power-module)
 
Flex數(shù)字電源設(shè)計(jì)解決方案
 
Flex電源(Flex Power)于2017年收購了愛立信電源模塊,愛立信電源模塊在為電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供電源解決方案方面擁有超過40年的業(yè)績記錄。Flex的DC/DC電源產(chǎn)品具有高效率(目前高達(dá)97%但很快會(huì)超過98%)、高可靠性、可通過PMBus來配置和控制模塊電源,以及低至1/16磚尺寸的緊湊規(guī)格,為5G的挑戰(zhàn)提供了有效的解決方案。
 
Flex的產(chǎn)品組合包括各種高效率的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離負(fù)載點(diǎn)(PoL)轉(zhuǎn)換器,以及面向處理器和交換機(jī)刀片等高級電信計(jì)算架構(gòu)(ATCA)應(yīng)用的電源接口模塊(PIM)。
 
針對RFPA應(yīng)用的特定挑戰(zhàn),開發(fā)了一系列產(chǎn)品,包括PKJ系列(可提供28V或50V標(biāo)稱輸出電壓,效率高達(dá)96.5%,半磚尺寸, 700W輸出功率),PKM-D系列(包括高密度500W 1/4磚DC-DC轉(zhuǎn)換器,48Vin和半載時(shí)的典型效率為95.5%,并具有14V至35V的寬輸出電壓調(diào)節(jié)范圍),以及PKB-D系列(包括輸出為50V/5A、輸入電壓范圍為36至60V的1/8磚轉(zhuǎn)換器)等。
 
針對數(shù)據(jù)中心,推出了完整的數(shù)字電源方案,包括:
 
● BMR480和BMR490系列產(chǎn)品,1000~1300W數(shù)字DC/DC隔離轉(zhuǎn)換器,最高效率達(dá)到97.3%,可并聯(lián)輸出提供更高功率。
 
● BMR481和BMR482系列產(chǎn)品,48V到核心電壓(小于1V)的直接轉(zhuǎn)換電源產(chǎn)品,減小電源部分的占板面積,系統(tǒng)整體效率提高2~3%。
 
● BMR520系列,300W~900W隔離表貼直立式的IBC(中間總線轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)品,直立設(shè)計(jì)減小占板面積,優(yōu)化散熱方式。
 
● 開關(guān)電容轉(zhuǎn)換方案的IBC產(chǎn)品,48V轉(zhuǎn)12V,效率大于98%
 
Flex Power Module還配套提供了一套先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)工具,F(xiàn)lex Power Designer軟件(https://flexdigitalpowerdesigner.com)。該軟件工具使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行包括熱建模、動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)優(yōu)化在內(nèi)的詳細(xì)仿真,進(jìn)行系統(tǒng)效率評估,可最大限度地減少電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,縮短開發(fā)時(shí)間,從而加快新產(chǎn)品的上市速度。
 
總結(jié)
 
5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)可行性越來越依賴于高級數(shù)字電源技術(shù)。Flex電源模塊是全球領(lǐng)先的數(shù)字電源解決方案供應(yīng)商,提供端到端的數(shù)字產(chǎn)品組合,包括PIM、隔離磚式和數(shù)字POL模塊,以及越來越多的針對RFPA應(yīng)用的產(chǎn)品。同時(shí),F(xiàn)lex廣泛的產(chǎn)品組合所提供的增值電源解決方案,使開發(fā)人員能夠?yàn)閯?chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的研發(fā)縮短設(shè)計(jì)周期并加快產(chǎn)品上市速度。
 
 
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