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          應對國產化需求的5G電源用隔離IC一站式解決方案

          新一代的移動通信網——5G網絡已成爲廣大社會羣衆的關注焦點。從目前全球頻譜分佈來看,要想獲得更多的帶寬,5G頻段高頻化成爲必然趨勢,而高頻化所帶來的覆蓋區域變小將導致5G時代全球站點數量倍增,站點能耗翻倍,電源功率密度提升成爲5G電源的迫切需求。日前,在由大比特資訊主辦的“2020(深圳)5G基站電源技術創新研討會”上,乐鱼买球APP微市場總監張方文以《應對國產化需求的5G電源用隔離IC一站式解決方案》的主題演講,詳細介紹了乐鱼买球APP微電子針對5G電源應用中的通信電源、二次電源、電源磚等隔離產品解決方案。本文將帶大家一起了解下這些解決方案。

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          由於5G的多天線陣列技術,發射接受通道從原來最多8路變成了32或64路,爲減小饋線損耗,5G基站將RRU和天線集成爲一起成爲AAU,散熱從原來的雙面散熱變成了單面,而功耗卻顯著增加。因此,電源功率密度和效率提升迫在眉睫。5G電源通常包含站點電源(AC-DC)和基站電源(AAU或BBU內部的二次電源部分DC-DC)兩個部分。

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          站點電源(AC-DC)電源解決方案


          5G站點因高頻化而導致的密度增大,將會給站址獲取帶來困難,而5G設備的功率又偏大,導致拉遠供電的線損很大。

          綜上這些問題催生了5G站點電源的新特點:


          • 多運營商共享建站

          • 室外櫃或室外刀片站增加

          • 升壓拉遠供電

          • 鋰進鉛退,鋰電代替鉛酸電池備電

          • 站點控制智能化:溫控、精準備電等


          在有存量站點的地方,採取多運營商共享站點的方式,站點統一交給鐵塔公司管理,一個站點給多個運營商設備供電,對於拉遠的5G設備,採取升壓供電的方式;而站址難獲取的地方,則通過室外櫃或室外刀片電源就近供電。設備功耗激增導致備電需求也增加,採用功率密度更高的鋰電池備電可以減小佔地面積。配合智能溫控降低站點功耗,同時精準智能的控制共享站點2/3/4/5G設備的下電順序,選擇最合理的方式備電,可以降低備電成本。

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          電源部分:

          室內或室外櫃中的嵌入式電源都是PSU形式,通常單個PSU的功率爲3KW或4KW,根據負載需求按N+1冗餘配置。PSU的典型架構如下圖所示:

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          AC-DC電源通常需要兩級拓撲:PFC+LLC,兩級拓撲分別需要閉環控制,所以通常會採用兩顆主控芯片,原邊的主控負責PFC電路,副邊主控負責LLC電路,兩顆主控芯片之間可以通過標準數字隔離器NSi81xx實現信息交互;LLC的驅動通過隔離驅動NSi6602DW或者數字隔離器NSi8120+驅動器的方式實現;原邊PFC電路一般選擇交錯無橋PFC電路,驅動通過高壓半橋驅動或者單管隔離驅動NSi6601DW+單管非隔離驅動實現;PSU對外接口一般選擇CAN通信,可以通過2通道數字隔離NSi8121N0+CAN收發器或隔離CAN芯片NSi1050實現。


          刀片電源的主拓撲架構和PSU一樣,只不過增加了一些485的對外通信口和對外接口,如電池接口。另外刀片電源因爲是自然散熱,內部板溫相對較高,不會用光耦這類溫度範圍窄的器件,隔離都要用數字隔離器實現。


          備電部分:

          由於鋰電池在嚴重過充電狀態下存在爆炸的危險,因此,必須爲鋰電池配備一套具有針對性的鋰電池管理系統BMS從而對電池組進行有效的監控、保護、能量均衡和故障警報,進而提高整個鋰電池工作效率和使用壽命。鋰電BMS系統架構如下圖所示:

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          電芯包採樣部分,大多數廠家會選擇成熟的AFE芯片來做電芯電壓採樣和均衡,基站備電的電芯數一般爲16串,所以需要兩顆 AFE芯片,其中一顆AFE芯片需要通過NSi8100N來連接,如下圖所示:

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          也有一些BMS廠家覺得MCU自帶的ADC精度不高,用外置ADC來做電芯電壓採樣和外置電路的電壓均衡控制,ADC通過SPI信號與主控芯片連接,多於一顆的ADC通過標準數字隔離器NSi81xx來隔離SPI信號,電壓均衡控制可以用I2C通過NCA9555來控制均衡電路開關。

          基站電源解決方案


          爲了更清晰的瞭解基站二次電源架構,首先了解下AAU和RRU在內部架構上的差異,如下圖:

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          從兩張供電架構圖的對比可以看出,AAU由於功放通道數增加,功放功率和TRX的功率需求都有增加。爲保證端到端轉換效率最高,RRU的TRX功率較小,所以一般選擇5.4V母線,而AAU的TRX功率較大,爲減小線損,會選擇12V母線。正是由於以上差異,基站內部電源結構也發生了變化,如下圖所示:

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          可見,5G的基站電源會比4G更復雜,包含兩個獨立的DC-DC,給功放供電的DC-DC由於要滿足功放調壓需求且一般需要隔離,所以會採用兩級拓撲,一級BUCK或BUCKBOOST實現調壓,一級開環全橋實現隔離。而給TRX供電的DC-DC一般採用閉環全橋的一級拓撲,直接實現12V輸出,這跟同樣需要12V輸出的BBU裏面的電源是同樣的拓撲。

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          給功放供電的DC-DC電路拓撲架構如上圖所示,電路的主控一般採用數字控制芯片,由於全橋是開環的,所以第一級電路的環路控制可以採最後的輸出電壓,這樣主控芯片可以將放在副邊,方便與上位機通信,以滿足功放調壓等需求。原邊部分電路的驅動控制通過隔離驅動或者數字隔離器+驅動器的方式實現,由於基站電源對體積要求很高,一般會選用LGA封裝的隔離驅動NSi6602LA,而BBU這種體積要求不高的,則會選用兩通道數字隔離器NSi8120+驅動器的方式,以方便靈活佈局。此外,基站有上報輸入功率的需求,一般採用獨立的輸入功率檢測芯片檢測之後,經I2C數字隔離器NSi8100NH上報給上位機。對於BBU這種插板式架構,還需要I2C熱插拔芯片NCA9511來保證板和板之間的信號傳輸質量。


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