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5G商用案例需要直流電源效率支撐

2019-05-23
James Zhang

引言

5G有望為全互聯社會帶來無數新的應用,而使數據傳輸呈指數性地增長。與此同時,5G NR(新空口)的設計需要支持數十億臺互聯設備,這又會推動全球網絡中的基站數量大幅增長。基站數量增加就需要提供更多的電力,數據中心的服務器數量也會增加,但是同時,網絡和數據中心運營商卻在降低能源成本方面面臨著環境與經濟的雙重壓力。

本文將介紹這些挑戰,以及Flex等機構如何通過DC/DC轉換和高效小型電源解決方案等創新技術來幫助運營商和數據中心所有者解決這些問題。

5G概述

隨著物聯網、自動駕駛汽車和虛擬現實等創新的推動,目前的無線網絡正在緊跟全世界對數據不斷增長和永不滿足的渴望。鑒于此,2015年國際電信聯盟(ITU)發布了5G規范(圖1),其中包括許多苛刻的要求,包括高達20GB/s的峰值數據速率(比4G快10到20倍)、超低延遲,以及連接密度高達100萬臺設備/km2。

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圖1:5G所選關鍵性能指標

(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網絡設計人員采用了許多革新技術,包括:

·  具有波束成形的大規模MIMO,將之用于5G無線接入網(RAN)

·  使用30GHz及以上的毫米波頻率,以便提供5G規范所需的巨大帶寬

·  包括網絡切片在內的增強型網絡管理功能,從而允許為特定應用定制服務

互聯網數據的經濟性

一些分析師預測,到2023年底,數據速率將達到每月近107艾字節(EB)(復合年增長率為39%)。此外,2011年的一項參考研究計算得出,每GB的互聯網數據使用,就需要大約5kWh的電能支持——如果功耗隨數據的使用量呈線性增長,那么這一數據將導致一些驚人結果。

因此,如果5G技術要兼具環境可持續性和經濟可行性,那么其功耗就需要大幅降低。接下來的章節將研究5G的一些能源成本驅動因素,以及一些降低5G能耗的潛在解決方案。

運營商和數據中心所有者面臨的具體挑戰

5G的推出將給網絡和數據中心運營商帶來諸多挑戰。

在網絡方面,物聯網設備等應用的大量連接需求,加之毫米波的傳播特性,將會推動基站數量的大幅增長。并且,由于采用大規模MIMO技術,5G基站將會擁有多達64個發射器。在沒有采取任何效率措施的情況下,對于具有64個發射器的5G有源天線單元(AAU),典型雙發射器4G射頻拉遠單元(RRU)的300W輸入功率要求將轉變成1100至1500W。鑒于基站已經占網絡總功耗的60%,運營商的能源成本估計為運營支出的15%,這樣大的功耗將不可持續,5G網絡的設計必須采用創新的效率措施。

射頻功率放大器(RFPA)是5G無線網絡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設計人員越來越多地從LDMOS轉移到這種器件。同時,包絡跟蹤/恢復(ET/ER)RFPA已成為關鍵的RFPA設計技術,可以實現具有高峰均功率比(PAPR)的調制信號的高效和線性放大。ET/ER需要采用非常高效的DC/DC轉換器,從而與已調RF輸入信號的幅度變化同步改變寬帶RFPA的輸出偏壓。

在數據中心方面,需要增加處理能力和存儲容量來處理不斷增長的數據量,也就是說需要采用更多的服務器、機架、電源、冷卻以及空間。然而,一些研究報告估計,數據中心會消耗全球3%的電力并排放2%的全球溫室氣體,鑒于此,數據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,網絡和數據中心運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。雖然在這兩種環境中都存在超簡潔(ultra-lean)網絡設計和虛擬化等能效技術,但數字電源管理和DC轉換技術已改變了系統設計,從而實現了更高效、緊湊的服務器等電子設備。數字電源模塊結合了數字通信和高密度、高效率模塊化DC/DC解決方案的優勢,使系統設計人員能夠以小尺寸開發更緊湊、更高效的產品。由于設計人員可以利用電源模塊中的功能以及一系列支持工具,從而擺脫復雜的電源設計,專注于增值產品功能的開發,因此新產品開發的上市時間得到縮短。

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圖2:Flex電源模塊PKJ系列DC-DC轉換器

(來源:https://flex.com/expertise/power/scalable-power-module)

Flex數字電源設計解決方案

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據中心應用提供電源解決方案方面擁有超過40年的業績記錄。Flex的DC/DC電源產品具有高效率(目前高達97%但很快會超過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磚尺寸的緊湊規格,為5G的挑戰提供了有效的解決方案。

Flex的產品組合包括各種高效率的隔離式DC/DC轉換器和非隔離負載點(PoL)轉換器,以及面向處理器和交換機刀片等高級電信計算架構(ATCA)應用的電源接口模塊(PIM)。

針對RFPA應用的特定挑戰,開發了一系列產品,包括PKJ系列(可提供28V或50V標稱輸出電壓,效率高達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轉換器,48Vin和半載時的典型效率為95.5%,并具有14V至35V的寬輸出電壓調節范圍),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磚轉換器)等。

針對數據中心,推出了完整的數字電源方案,包括:

》BMR480和BMR490系列產品,1000~1300W數字DC/DC隔離轉換器,最高效率達到97.3%,可并聯輸出提供更高功率。

》BMR481和BMR482系列產品,48V到核心電壓(小于1V)的直接轉換電源產品,減小電源部分的占板面積,系統整體效率提高2~3%。

》BMR520系列,300W~900W隔離表貼直立式的IBC(中間總線轉換器)產品,直立設計減小占板面積,優化散熱方式。

》開關電容轉換方案的IBC產品,48V轉12V,效率大于98%

Flex Power Module還配套提供了一套先進的工程設計工具,Flex Power Designer軟件(https://flexdigitalpowerdesigner.com)。該軟件工具使系統設計人員能夠進行包括熱建模、動態負載響應優化在內的詳細仿真,進行系統效率評估,可最大限度地減少電源系統設計錯誤,縮短開發時間,從而加快新產品的上市速度。

總結

5G網絡和數據中心的可持續性和經濟可行性越來越依賴于高級數字電源技術。Flex電源模塊是全球領先的數字電源解決方案供應商,提供端到端的數字產品組合,包括PIM、隔離磚式和數字POL模塊,以及越來越多的針對RFPA應用的產品。同時,Flex廣泛的產品組合所提供的增值電源解決方案,使開發人員能夠為創新的網絡和數據中心設備的研發縮短設計周期并加快產品上市速度。


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