克服5G時代的通訊電源設計挑戰

作者 : 宋清亮,英飛凌科技(中國)

5G通訊的建設為通訊電源廠商帶來了商機,同時也讓設計者面臨更多的挑戰。本文首先對這些新的要求和設計挑戰進行分析,然後以相關產品為例詳細描述如何因應這些挑戰。

眾所周知,包括韓國和美國在內的世界多個國家和地區已經率先開啟了5G通訊。中國也在20多個城市開始了5G通訊試點並將在未來大力推廣。5G通訊的建設方興未艾。

相較於現有的3G和4G通訊,5G通訊具有超高速率、極低延遲等特點。具備這些特點的原因是5G通訊採用了更高頻段的頻譜,以中國為例:4G LTE的頻段為1.8GHz-2.65GHz,而5G目前公佈的頻段為3.3GHz-5GHz,未來還將打造高於6GHz的毫米波(mmWave) 5G通訊。根據光速公式:

c=λν (1)

頻率ν越高,意味著波長λ越小,對於無線通訊,這意味著通訊訊號的覆蓋面積越小。這一方面要求5G通訊基地台的密度要更高,此外也需要單一通訊基地台採用Massive MIMO (64T64R、128T128R等)、波束成形(beamforming)等技術解決訊號覆蓋面積小等問題。這些新技術和應用對於通訊電源的自然散熱能力、維護成本等提出了新的需求。

同時,5G較為豐富的組網架構和佈局方式帶來了更多的供電方式及組合,包括UPS交流電(AC)直接供電、-48V供電、HVDC (高壓直流)供電等。由於在很長一段時間內5G的建設還需要相容(保留)現有3G和4G通訊,因此多數採用現有基地台和局端(CO)進行改造和升級的方式,這意味著通訊電源需要同時為3G/4G和5G通訊設備供電,對通訊電源的輸出功率、功率密度、可靠性等提出了新的需求與挑戰。

本文接著將詳細討論這些新的通訊源需求,以及新需求對於通訊電源設計者帶來的挑戰;最後並將介紹英飛凌科技(Infineon Technologies)的解決方案,及其如何協助設計者快速、可靠地設計因應5G通訊應用的產品。

5G通訊對電源的要求與設計挑戰

 

5G通訊的建設為交換式電源(SMPS)業者帶來了巨大商機。根據安信證券研究中心的資料,5G通訊電源的市場規模預計約為315億元人民幣。但這一巨大商機同時也為通訊電源設計者帶來了新的挑戰。

更大的輸出功率和更高效率

由於5G通訊需要採用Massive MIMO等技術,5G基地台的AAU單磁區輸出功率由4G的40~80W增加到200W或甚至更高,同時由於處理的資料量大幅增加,基頻處理單元(BBU;或在5G某些組網模式下被拆分為CU和DU)的功率也大幅增加,其功率已超過1,000W。對於目前較流行的5G基地台組網方式:3磁區AAU+1個BBU,假設AAU效率為20%,那麼單單為5G基地台供電的通訊電源的輸出功率大約為:

相形之下,原有4G通訊基地台供電的通訊電源輸出功率為2,000~3,000W。輸出功率大幅提升。

根據華為(Huawei)提供的資料,3G (相容2G)、4G (相容3G)、5G (相容3G和4G)基地台的功耗如下圖所示。而在升級5G通訊後,基地台電源的功率提高了68%。

圖1:不同通訊規格的基地台耗電量比較。

5G通訊對電能的需求增加意味著對通訊電源的效率要求更高,從而降低通訊營運成本(OPEX)。根據中國聯通(China Unicom)的統計資料,通訊資料中心(局端)的OPEX中電費佔約28%。雖然供電系統的能耗只佔通訊資料中心總能耗的10%,但是供電系統會加劇製冷系統的負擔,以30KW的系統為例,效率提高5%可以使得電源設備一年減少18,000度,空調電耗減少7,200度;因此,提高通訊電源轉換效率是通訊資料中心降成本的關鍵手段之一。

5G通訊的資料流量較3G/4G通訊更不均衡,某些時段流量可能極大,而某些時段可能較小,這意味著通訊電源的實際負載範圍可能從輕載擴及滿載。對於5G通訊電源來說,為了確保在任何負載下通訊系統的耗電都達到最低值,效率的要求不再是某一負載下達到最高值,而是要求在很寬的範圍內效率都要達到最高值,效率曲線變為較為平穩的直線,如圖2所示。

圖2:5G通訊電源效率要求曲線示意圖。

高功率密度

如前所述,對於通訊資料中心及大型基地台,多數採用擴充現有設備容量的方式來建設5G通訊設備。其中留給用於5G通訊所需電能的電源櫃空間往往極其有限,甚至只能採用原有電源櫃。在這些情況下電源櫃的輸出功率需要大幅增加。這就要求通訊電源模組(通常稱其為整流模組)在保持體積基本不變的情況下大幅加輸出功率,即功率密度提升。例如大量用於4G通訊中的3KW輸出整流模組尺寸為280mm x 80mm x 40mm (長x寬x高),其功率密度為:

而為了應用於5G通訊,在尺寸不變的情況下輸出功率需要達到4KW,那麼電源功率密度為:

對於5G微型基地台,AAU的供電電源採用電桿設計,例如中興通訊推出的刀片式5G通訊電源(如圖3所示)。為了降低整體箱體重量和尺寸,要求內部的電源尺寸儘量小,高度儘量降低(甚至低於20mm),相應地電源的功率密度也需要大幅提高。

圖3:5G室外通訊電源主機殼。

自然散熱

在5G通訊中,微型基地台數量將大幅增加,根據中信建投證券的分析報告,5G微型基地台的數量約為6,575萬至1.64億。這些微型基地台的供電電源絕大多數都會被安裝在密閉空間中,如圖3所示,以滿足IP65防護等級,從而可以被安裝在室外、野外等環境。由於被安裝於密閉空間中,因此這一類通訊電源只能採用自然散熱(無強制風冷也無水冷)方式。同時,相較於5G通訊電源的輸出功率,3G/4G通訊制式更大,這對於通訊電源的散熱設計帶來更巨大的挑戰。

 高可靠性

作為通訊系統的心臟,通訊電源的可靠性決定了整個系統的可靠性。5G通訊將應用在自動駕駛、智慧製造、人工智慧(AI)等重要場合,因此,5G通訊對於通訊電源系統的可靠性提出了更高的要求。同時,如前面介紹5G通訊將出現大量的微型基地台,若出現批量失效,其維修成本將高得驚人。為了降低維護成本,提高電源的可靠性是5G通訊電源的主要要求之一。

5G通訊電源解決方案

大功率和高效率方案

對於開關電源來說,能否輸出更大功率,決定因素在於功率轉換產生的熱能否被耗散掉,能否保持元件的溫度穩定處於合適值。散熱決於兩個因素,一是產生的損耗大小,如果損耗小,那麼容易被耗散掉,反之亦然;二是電源的散熱能力,這取決於散熱片,風扇(強制風冷)和熱路設計。而前者是熱產生的來源,更易於解決問題;而後者的決定因素很多,例如環境、結構尺寸等,不易於實施和解決問題。

在隔離型開關電源中,依據拓撲的不同,功率半導體元件的損耗約佔總損耗的30~80%,因此降低功率半導體元件的損耗對於提高輸出功率、同時也是提高效率具有重要意義。對於開關電源中常用的功率半導體元件MOSFET或者IGBT,損耗包括開關損耗(半導體開通和關斷過程中產生的損耗)和導通損耗(半導體在穩態開通過程中由於導通電阻或者導通壓降產生的損耗)。只有將開關損耗和導通損耗都減小才可以降低半導體的整體損耗。

英飛凌的CoolMOS C7正是這樣一款高壓MOSFET。如圖4比較CoolMOS C7與CoolMOS CP(上一代開關損耗最小的產品)在2.5KW PFC電路不同開關頻率下的損耗可以看出,CoolMOS C7的開關損耗大幅度降低。而對於MOSFET的導通損耗,其決定因素就是直流導通電阻RDS(on),在TO247封裝內實現600V和650V耐壓下RDS(on)小於20mΩ (IPW60R017C7的典型值為15mΩ,IPW65R019C7的典型值為17mΩ)。

當輸出功率更大時,即使是用最低損耗的元件也無法完全將熱耗散掉,此時開關電源往往需要並聯功率半導體元件,此時功率功率半導體的參數一致性,特別是閘限電壓和寄生電容的參數離散性對功率元件的可靠並聯影響很大。

圖4:CoolMOS C7與CoolMOS CP在不同頻率下的損耗比較。

在大功率輸出電源設計中必然要求電源的轉換效率更高,以解決散熱問題。前面介紹的CoolMOST C7可以幫助設計者在不進行其他設計修改的情況下有效的提高效率。圖5是CoolMOST C7用於600W LLC電路中與英飛凌前代產品效率的比較。

圖5: CoolMOST C7與前一代產品效率比較。

採用近幾年出現的寬能隙(WBG)半導體功率開關如氮化鎵(GaN)電晶體和碳化矽(SiC) MOSFET,則是提高開關電源效率的另一個有效途徑。以英飛凌的氮化鎵電晶體CoolGaN為例,採用2顆70mΩ導通電阻的IGO60R070D1和2顆33mΩ導通電阻的IPT65R033G7共同組成的電流連續模式(CCM)圖騰柱(totem-pole)無橋PFC,可以在2.5KW PFC電路中實現寬負載範圍內超過99%的效率。電路拓撲及效率曲線如圖6和圖7所示。

圖6:採用GaN電晶體的圖騰柱無橋PFC拓撲。

圖7: 2.5KW圖騰柱PFC展示版本效率曲線。

對於前面提到在整個輸出功率範圍內實現平滑的效率,一方面需要選擇合適的功率元件,包括功率半導體的選擇(矽材料功率開關需要平衡導通損耗和開關損耗或寬隙功率開關)和磁性元件的設計(特別磁芯材料的選擇,平衡不同頻率或者負載下的損耗),使其在輕載下的損耗儘量最小化。另一方面透過電路拓撲的選擇實現輕重載下效率曲線的平衡。目前比較常用的方式是採用多相interleave (交錯並聯)拓撲。例如在PFC級和DC/DC級分別採用interleave方式。圖8和圖9給出了兩相interleave的PFC和LLC,根據功率不同,可以採用三相甚至更多相。在輕載下關閉其中的一相或幾相,即可以有效地提高輕載效率。該方案的另一個好處是即使在重載時往往也不需要並聯功率半導體元件,有利於PCB設計、散熱設計和提高電源可靠性。

圖8:兩相交錯並聯PFC電路。

圖9:兩相交錯並聯LLC電路。

高功率密度方案

高功率密度開關電源可以有效減小應用系統的尺寸、空間和重量,這對於通訊系統尤為重要。一般認為提高開關電源頻率可以提高功率密度,因為理論上縮小了被動元件(包括磁性元件和電容)的尺寸。但是提高開關頻率會帶來基於矽材料的功率半導體元件損耗明顯增大,且磁性元件的磁損也會顯著增加,這可能帶來散熱片和風扇尺寸的增加以及磁性元件散熱的困難。因此,提高開關頻率對於採用傳統矽材料作為功率開關的通訊電源帶來功率密度提升是很有限的。

採用表面散熱的貼片元件配合子板設計:為了提高開關電源功率密度,需要有效的利用空間尺寸。傳統的單一PCB設計模式是將所有元件都焊接到該PCB上,那麼空間的利用率非常低,特別是貼片元件的上方空間被浪費掉,大大限制了功率密度的提升。另一方面傳統大功率開關電源的功率開關都採用外掛式封裝,例如TO247、TO220等等。這次外掛式元件本身尺寸較大,且需要留出空間將其裝配到散熱片上,這又限制了功率密度的提升。

英飛凌提出的方案:功率元件採用貼片元件,功率元件及所有貼片元件盡可能焊接到小的子板上,散熱片透過壓接在功率元件上為其散熱,子板再焊接到主機板上。但是傳統貼片封裝都是底面散熱,表面為黑色塑膠材料,其熱阻很大,壓接散熱片並不能有效將功率元件的熱耗散掉。為了解決這一問題,英飛凌推出表面散熱的功率元件封裝,例如DDPAK、QDPAK等等。採用DDPAK封裝的功率元件焊接到子板的示意圖如圖10所示。

圖10:採用DDPAK封裝的功率元件子板。

而採用該方案設計的1.6KW鈦金版(效率在半載時高於96%)伺服器電源展示板如圖11所示。其功率密度高達到44W/in^3。

圖11:1.6KW高密鈦金版伺服器電源

氮化鎵配合多變壓器的設計:前面提到當工作頻率提高後,由於基於矽材料的功率半導體寄生參數較大,導通和關斷速度較慢,開關損耗(與開關頻率成正比)會大幅度增加,損耗增加帶來散熱片的增大等問題,從而限制了開關頻率的提高,無法實現高功率密度設計。而如果採用款基於寬能隙材料的GaN,情況就大不同了。由於GaN電晶體的Qg、Coss等參數只有類似導通電阻矽材料MOSFET的1/10以下,開關損耗即使在高頻下也相對很小,這使得開關電源工作在高頻時提高功率密度成為可能。

另外,對於提高工作頻率後,磁性元件損耗增加(根據斯坦梅斯磁損公式,主要是磁損的增加)的解決措施,比較實用的方式是將傳統的一個變壓器分為兩個或多個,一方面利於變壓器的散熱,另外利於變壓器的繞組,以降低變壓器的成本。多個變壓器透過繞組的串並聯可以實現變壓器電流和損耗的均衡,甚至透過磁整合技術來抵消部份磁損,以降低變壓器的損耗。

英飛凌採用GaN電晶體設計的3.6KW LLC電路的展示版功率密度達到160W/in^3,LLC的諧振頻率達到350KHz,這麼高的工作頻率仍可實現超過98%的效率,若採用矽材料功率開關是無法實現的。展示板如圖12所示。

圖12:使用GaN的3.6KW LLC轉換電路。

自然散熱方案:設計一個自然散熱方式的理想通訊電源,首先要考慮的是如何讓主要發熱元件透過外殼進行散熱,從而將溫度控制在規格範圍內。開關電源的兩個主要發熱元件是功率半導體和磁性元件。對於功率半導體元件,傳統的外掛式封裝元件不適合用於5G通訊電源中,所以最適合自然散熱的封裝是大尺寸貼片封裝的功率半導體,例如英飛凌的DDPAK和TO-leadless封裝,如圖12所示。DDPAK由於採用表面散熱,因此可以將其焊接於PCB板上後透過導熱絕緣膜直接壓接與機殼上,散熱效果非常理想。後者由於其焊接面尺寸大,與PCB焊接後散熱效果較其他封裝也大幅提升。

圖13:英飛凌DDPAK、TO-Leadless封裝。

對於磁性元件元件的散熱,以主功率變換變壓器為例,除了可以採用將一個變壓器分為兩個甚至更多外,還可以改變變壓器在PCB上的安裝方式,例如將傳統焊接在PCB上面的方式改變為PCB開窗,將變壓器下沉,這樣變壓器可以透過底面與機殼接觸來散熱,甚至透過上下表面同時與上下機殼接觸來散熱,如圖13和14所示。

圖14:傳統變壓器安裝方式。

圖15:自然散熱條件下建議的變壓器安裝方式。

高可靠性方案:根據IBM 2014年提供如圖15所示的開關電源產品維修之成本分析,在設計階段的成本是最低的。因此,針對5G通訊在其供電電源系統提出的更高可靠性要求,更需要在設計階段採取有效的措施來保證產品可靠性。

圖16:不同階段開關電源維修相對費用示意圖。

對於開關電源的可靠性,從以下幾個方面進行設計:

(1) 選用高品質的元件:元件本身的品質是根本,高品質元件才可能組成高品質的開關電源。選用正規、信譽好的品牌元件是設計高可靠性產品的第一步。

(2) 嚴格滿足元件的規格及降額要求:每個元件都有其規格,絕不可超規格使用。同時為了確保系統的壽命和失效率,還需要有一定的降額。功率半導體、磁性元件的絕緣和電容等的壽命都與其工作溫度強相關,必須為其降額才能確保失效率以及延長使用壽命。IPC9592等標準可作為降額參考。

(3) 完善測試項目:設計階段的測試是驗證產品可靠性的重要步驟。測試要儘量模擬實際應用工況,例如對於5G通訊電源,由於其負載波動會很大,那麼動態負載測試就非常關鍵。對於戶外用電源,由於可能會遭受雷擊,那麼雷擊、突波測試就非常關鍵。

 總結

 5G通訊的建設為通訊電源廠商帶來了商機,同時也讓設計者面臨更多的挑戰。本文首先對這些新的要求和設計挑戰進行分析,然後以相關產品為例詳細描述如何因應這些挑戰。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年6月號)

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