HW分布式5G通信基站電源系統(tǒng)介紹

          摘要：以5G為代表的移動通信技術正在與AI、大數(shù)據緊密結合，5G時代正在加速向我們走來，自動駕駛、遠程醫(yī)療、智慧城市、智慧農業(yè)……一切都昭示著，5G將重塑我們生活的方方面面，開啟一個萬物互聯(lián)的全新時代。傳統(tǒng)的通信設備供電方式采用戶外壁掛式或者落地式高頻開關電源系統(tǒng)，此種方式占地面積大、造價成本高、安裝復雜、容量大以及壽命短。5G電源的需求量要比4G時代大，微基站將越來越密，通訊設備會向著小型化發(fā)展，對基站電源供電架構，效率和功率密度等要求會更高，所以5G電源要有低成本、高效率、免占地和少工勘的配套方案，方便極簡快速部署，為5G網絡的快速覆蓋保駕護航。針對5G電源的種種要求，本公司設計了一個解決5G設備供電的全新方案。

關鍵詞：5G電源 微型基站 高頻開關電源

一?引言

       當前傳統(tǒng)的室外站供電方案，普遍存在容量偏大，征地、安裝維護困難等諸多問題，已經不能滿足未來小微站點的需求，尤其是基礎設施產品的應用必須要符合5G網絡的發(fā)展趨勢和微基站的應用特征。5G 的小基地站可能建置于任何地點，像是極冷、極熱的地方和陰暗潮濕、布滿灰塵的小角落，抑或是完全不具遮蔽條件的地點。因此5G 的電源供應器必須具有一定的防水、防塵及耐高溫等特性。由于小基地站的布建密度高，因此對設備的要求也高，設備的體積是否夠小、夠輕薄也是一大考驗。針對這些要求，深圳索瑞德電子有限公司研發(fā)了一款防護等級為IP65的自冷型室外小型一體化高頻開關電源系統(tǒng)。

二? 設計要求

1?該一體化電源設備用于室外鐵塔燈桿、室內弱電井、微站等環(huán)境惡劣場景，為通信網絡末端的通信設備如RRU等設備供電。能夠滿足壁掛、抱桿、角鋼塔等應用場景，支持旗裝、平裝等安裝方式。

2?一體化電源產品為模塊拼裝式產品類型，模塊拼裝式指將48V整流模塊、DC280V升壓模塊（可選）、蓄電池模塊拼裝成的產品結構。電源系統(tǒng)可實現(xiàn)至少2個電源模塊及電池模塊的并聯(lián)，模塊數(shù)量可根據容量、備電需求、負載情況擴展。

3?設計應滿足以下標準，但不限于以下技術標準：GB/T 4208-2017 《外殼防護等級（IP代碼）》、YD/T 944-2007 《通信電源系統(tǒng)的防雷技術要求和測試方法》、QB-H-005-2012《通信基站用磷酸鐵鋰電池》、YD/T 1058-2015《通信用高頻開關電源系統(tǒng)》、YD/T 731-2008《通信用高頻開關整流器》、GB/T 4797.6-2013《環(huán)境條件分類 自然環(huán)境條件 塵、沙、鹽霧》等

4?電源設備應適用于日曬、雨淋、滴水、風吹、冰凍、灰塵、潮濕的室外環(huán)境，并能正常運行。

5?溫度范圍：工作溫度范圍：-40℃～+55℃；儲運溫度范圍：-40℃～+60℃。

6?相對濕度范圍：工作相對濕度范圍：≤95%不結露（40℃±2℃），儲運相對濕度范圍：≤95%不結露（40℃±2℃）。

7?設備結構設計自然散熱，元器件布局及散熱結構設計合理，取消風扇等機械散熱構件。電源模塊寬度不得超過350mm，高度不得超過450mm，深度不得超過100mm。

8?輸入電壓額定值：220Vac，單相三線制。

9?輸出電壓范圍：-43Vdc～-58Vdc，輸出最大功率3000W。

10?系統(tǒng)具備常規(guī)的輸入輸出過壓欠壓、過流以及短路保護等功能。

11?輸出具有三路以上的接口，方便擴容，具有防反插功能等。

12?整流模塊的效率要達到94%以上

三、設計思路

       根據設計要求，由于我司研發(fā)的5G電源產品功能非常強大，所以在這里主要介紹以下幾個設計方面。

1?散熱設計

       5G設備電源采用壓鑄式鋁合金殼散熱，完全實現(xiàn)自冷的方式，如圖1所示。采用鋁合金是因為鋁的高效導熱性，是保持杰出散熱功能的決定因素和熱能轉換的最理想介質。它的特色是：用時少，效率高。輕盈機靈，便于加工是一大特色。平等標準的散熱器，鋁的分量是鋼制散熱器的1/3。傳統(tǒng)風冷電源的風扇壽命一般是5萬小時左右，采用鋁殼式散熱可以克服傳統(tǒng)風冷模塊電源的風扇壽命故障，設備的使用壽命可以達到15萬小時以上，且不需要經常維護。鋁殼上下表面做成柵格狀，加大散熱面積。

圖1 鋁合金壓鑄式外殼

2? 防反插設計

5G設備電源輸入輸出電源接口采用具有防誤差、防反插和防水的不銹鋼航空插頭插座，如圖2所示。

圖2 輸入輸出電源接口

        輸入采用三芯式設計，交流輸入L、N和接地。輸出采用兩芯式設計，正和負，避免輸入和輸出插錯。輸出插頭采用限位式設計，避免正負插反。這種防水式航空插頭可以避免來自各個方向由噴嘴射出的水侵入電器而造成損壞，具有快速連接和分離，耐環(huán)境好、可靠性高等特點。

航空插頭以壓接方式安裝，這種安裝方式具有速度快、投資少，效率高、能實現(xiàn)自動化生產等特點。用在帶有電線為主的連接，能夠實現(xiàn)大批量快速生產，而且同時還能保證氣密連接。

3?安裝方式

5G電源可以實現(xiàn)旗裝、平裝等安裝方式，可以滿足壁掛、抱桿、角鋼塔等應用場景。安裝圖片如圖3所示。

圖3 安裝方式

4?DC/DC電路拓撲

    為了響應國家節(jié)能減排的號召，現(xiàn)在電源產品越來越傾向于高效化。為了實現(xiàn)高效的設計，我們在設計時采用軟開關LLC諧振電路，LLC拓撲以其高效著稱，受到廣大電源設計工程師的青睞?？偹苤?，LLC 拓撲的以下特點使其廣泛的應用于各種開關電源之中：

?  LLC 轉換器可以在寬負載范圍內實現(xiàn)零電壓開關。

?  能夠在輸入電壓和負載大范圍變化的情況下調節(jié)輸出，同時開關頻率變化相對很小。

?  采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

?  減小次級同步整流MOSFET的電壓應力，可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。

?  無需輸出電感，可以進一步降低系統(tǒng)成本。

?  采用更低電壓的同步整流MOSFET, 可以進一步提升效率。

LLC電路的基本拓撲結構如下圖4所示：

圖4 基本電路拓撲結構

       經過測試，公司設計的5G通信設備電源效率高達96%，遠遠高出設計要求。系統(tǒng)的高效為基站大大減少了能耗，經過粗略估算，一個5000W的開關電源系統(tǒng)，一年可以節(jié)省電費大概1000元，縮減了客戶或者運營商的電費成本。

5?輸入PFC拓撲

PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrecTIon”，意思是“功率因數(shù)校正”，作用是對輸入電流波形進行控制，使其同步輸入電壓波形。功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值?；旧瞎β室蛩乜梢院饬侩娏Ρ挥行Ю玫某潭龋敼β室蛩刂翟酱?，代表其電力利用率越高。傳統(tǒng)的離線開關模式功率轉換器會產生帶高諧波含量的非正弦輸入電流。這會給電源線和電力設施帶來壓力，增加電力系統(tǒng)負荷，增加無功損耗。此外，諧波還會影響連接同一電源線的其他電子設備。在開關電源系統(tǒng)里面增加有源功率因素校正可以解決這個問題，自從歐盟建立了針對電子設備的EN61000-3-2標準和A14修正案以來，PFC越來越重要。

針對上述情況，在5G設備電源上公司采用有源式boost升壓電路實現(xiàn)PFC。采用PFC方案可以減少對輸入濾波器的要求，并可以防止市電電網對主電路的高頻瞬態(tài)沖擊。開關管V的電壓超過輸出電壓值。同時功率開關管和輸出電壓共地、控制驅動簡單。可以在國標標準規(guī)定的輸入電壓和頻率的變化范圍內保持正常工作，正常工作時功率因素達到0.99以上，電路原理圖如圖5所示。

圖5 PFC電路原理圖

6?通訊方式

    5G設備電源上留有傳統(tǒng)的RS232接口和RS485接口，另外還留有強大的CAN總線接口。CAN總線的應用使得多個電源模塊之間可以實現(xiàn)無限并聯(lián)，使網絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，同時各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信、提高傳輸?shù)膶崟r性，有利于對所有電源模塊做均流處理。此外，采用CAN總線還具有以下優(yōu)點：

l  具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；

l  采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

l  具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網絡；

l  可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；

l  可靠的錯誤處理和檢錯機制；

l  發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；

l  節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；

l  報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

  5G通信電源通訊接口采用防水式設計，不使用時采用防水蓋蓋住，如圖6所示，可以有效防止各個方向的噴水，防水等級達到IP6X。

圖6 防水蓋

4.  結論

經過以上詳細介紹，公司設計的5G通信設備電源完全可以滿足設計要求，甚至有些參數(shù)優(yōu)于設計要求，因此是一款性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠的電源產品。

參考文獻：

1)     GB 3096-2008 《聲環(huán)境質量標準》

2)     GB 2894-2008 《安全標志》

3)     GB/T 4208-2017 《外殼防護等級（IP代碼）》

4)     GB 50689-2011 《通信局站防雷與接地工程設計規(guī)范》

5)     YD 5083-2005 《電信設備抗地震性能檢測規(guī)范》

6)     YD 5096-2016 《通信用電源設備抗地震性能檢測規(guī)范》

7)     YD/T 5186-2010 《通信設備用室外機柜安裝設計規(guī)定》

8)     YD/T 1058-2015《通信用高頻開關電源系統(tǒng)》

9)     YD/T 731-2008《通信用高頻開關整流器》

10)   QB-H-004-2009《通信用開關電源設備節(jié)能分級標準》

11)   YD/T 3090-2016 《通信用壁掛式電源系統(tǒng)》

12)   YD/T 983-2013《通信電源設備電磁兼容性限值及測量方法》

13)    GB 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》

14)   GB/T 17626.2-2006《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》

15)   GB/T 4797.6-2013《環(huán)境條件分類自然環(huán)境條件塵、沙、鹽霧》

16)   GB/T 4797.5-2017《環(huán)境條件分類自然環(huán)境條件降水和風》