5G基礎建設電源設計考量

作者 : ROHM

在5G基地台重建和新建的過程中,改變的不僅僅是天線、BBU裝置和RRU裝置,配套資源也需要更新。其中電源更新是很重要的一步,包括基地台電源和供電電源。

目前正處於4G和5G通訊網路的銜接時期,基地台的建設格外引人關注。4G時代,主要電信營運商的營運頻段主要集中在900~2600MHz,而室外5G的頻譜規劃為3.4~3.6GHz和4.8~4.9GHz。按照衰減公式,頻率越大衰減越快。照此預估,營運商最終建設的5G基地台數量將是4G時代的數倍。即使為了經濟效益最大化,主要營運商將選擇4G+5G的混合訊號覆蓋方式,新增的5G基地台數量也將達到數百萬。

從結構而言,5G基地台和4G基地台並沒有差別,都是BBU裝置、RRU裝置和天線。其中,BBU裝置負責基頻數位訊號處理,RRU裝置負責訊號數位類比轉換、調變和PA放大,天線負責訊號射極。不過,由於5G的核心組網和4G完全不同,因此4G基地台對於5G網路建設的幫助可以說是微乎其微,必須要重建。因此營運商選擇SA (獨立組網)也是明智之舉。

在5G基地台重建和新建的過程中,改變的不僅僅是天線、BBU裝置和RRU裝置,配套資源也需要更新。其中電源更新是很重要的一步,包括基地台電源和供電電源。5G基地台供電系統主要包括UPS (Uninterruptable Power System,不斷電供應系統)和HVDC (High-Voltage Direct Current,高壓直流)。UPS需要對原有4G基地台進行擴充,HVDC則需要新建。

隨著5G訊號逐漸大規模覆蓋,大量5G基地台的新建與重建,以及4G基地台的擴充已經逐步開工,這勢必會為電源市場帶來新的機會,對鋰電池、機房溫控裝置、基礎元件的需求都將大幅增加。同時,不同的供電方式也對基礎元件提出了不同的挑戰;對於基地台電源和UPS而言,要求元件具有更高的可靠性、保護性和可維護性;對於HVDC而言,元件需要能夠承受高壓,同時也要符合HVDC供電的高效率和低營運成本。

5G基地台電源設計解決方案

針對無線基地台電源設計,ROHM推出了多款解決方案,包括SiC功率元件、MOSFET和DC/DC轉換器等,協助電信營運商及裝置生產商加速完成4G到5G的平穩升級。

 

在針對UPS供電的電源IC方面,包括提供外接FET的升降壓切換控制器(BD9035AEFV-C)、1ch同步降壓型DC/DC轉換器(BD9B304QWZ以及BD9F800MUX)。BD9035AEFV-C的輸入電壓範圍為3.8V~30V,切換頻率在100kHz~600kHz,能夠在-40℃~+125℃工作溫度範圍內穩定運轉。這些特性不僅能夠適用於基地台建設,還能夠應用於車電、工控設備和其他電子裝置。

1ch同步整流降壓轉換器輸入電壓範圍為4.5V~28V,切換頻率在300kHz或600kHz,最大輸出電流為8.0A,封裝尺寸為3.5mm×3.5mm×0.6mm。在基地台建設方面,可用於DSP、FPGA、微處理器等的降壓電源。此外,也可用於液晶電視、DVD /藍光播放機、錄影機、機上盒等消費電子裝置。

另一款1ch同步整流降壓DC/DC轉換器BD9B304QWZ,主要優點是透過高效率實現低功耗工作。Deep-SLLM控制(升級版輕載高效率模式)可實現80%以上的效率。同時內建MOSFET,無需外部FET和二極體,節省安裝空間並降低成本。基於上述各自的優點,BD9B304QWZ和BD9F800MUX雖然特性各不相同,但是應用範圍基本相同。

針對HVDC供電方式,ROHM提供80V/3A DC/DC 轉換器等產品。如BD9G341AEFJ-LB內建80V/3.5A/150mΩ的Nch功率MOSFET,採用電流模式控制,實現了高速暫態響應和簡便的相位補償設定。除了內建過電流保護、欠壓鎖定、過熱保護、過壓保護等這些基本保護功能外,還能實現了0μA待機電流和緩啟動。

除了提供更高工作電壓、更大的工作電流和更小的封裝尺寸等。在300kHz、Vo=5V、VCC=24V的工作條件下,當輸出電流在0~100mA範圍時,BD9G341AEFJ-LB相較於一般產品在能效上提高了8%~17.6%。為了滿足未來包括基地台電源在內的龐大市場需求,ROHM將在DC/DC轉換器方面繼續研發相關產品。

為5G基地台帶來革新的SiC功率元件

當然,除了供電方式發生變化,5G基地台建設也促進了元件材料革新。由於高頻、高溫、抗輻射以及大功率等挑戰,以碳化矽(SiC)功率元件為首的高性能半導體材料將在5G建設上佔有重要地位。如ROHM採用碳化矽材料的第三代蕭特基二極體(SiC-SBD)。

羅姆SiC-SBD產品。

 

相較於第二代產品,第三代SiC-SBD擁有更好的正向電壓(VF)特性和更好的反向電流(IR)特性,客戶在設計產品的過程中可以採用更低的開啟電壓,在正向切為反向時,為了降低功耗,元件將產生更小的暫態電流。但是因為SiC-SBD的暫態電流本質上不隨正向電流變化,恢復時產生的恢復電流很小,成功降低了系統雜訊。此外第三代 650V SiC-SBD可實現更高的IFSM,更低的漏電流,以及進一步降低VF等。

 

 

為因應5G基地台建設的多樣化需求和複雜應用環境所帶來的挑戰,保證電源元件的穩定性和耐久性非常關鍵,如此才能協助營運商和設備商完成高速穩定的網路覆蓋。

 

 

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