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主營(yíng)產(chǎn)品: UPS電源, 太陽(yáng)能逆變器, 太陽(yáng)能控制器, 風(fēng)光互補(bǔ)控制器, 通信電源, 逆變電源, 光伏發(fā)電系統(tǒng), -48V整流模塊
5G之光-5G電源
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UPS電源, 太陽(yáng)能逆變器, 太陽(yáng)能控制器, 風(fēng)光互補(bǔ)控制器, 通信電源, 逆變電源, 光伏發(fā)電系統(tǒng), -48V整流模塊
摘要:以5G為代表的移動(dòng)通信技術(shù)正在與AI、大數(shù)據(jù)緊密結(jié)合,5G時(shí)代正在加速向我們走來(lái),自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧城市、智慧農(nóng)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(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的全新時(shí)代。傳統(tǒng)的通信設(shè)備供電方式采用戶外壁掛式或者落地式高頻開關(guān)電源系統(tǒng),此種方式占地面積大、造價(jià)成本高、安裝復(fù)雜、容量大以及壽命短。5G電源的需求量要比4G時(shí)代大,微基站將越來(lái)越密,通訊設(shè)備會(huì)向著小型化發(fā)展,對(duì)基站電源供電架構(gòu),效率和功率密度等要求會(huì)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(jiǎn)快速部署,為5G網(wǎng)絡(luò)的快速覆蓋保駕護(hù)航。針對(duì)5G電源的種種要求,本公司設(shè)計(jì)了一個(gè)解決5G設(shè)備供電的全新方案。
一?引言
當(dāng)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(hù)困難等諸多問(wèn)題,已經(jīng)不能滿足未來(lái)小微站點(diǎn)的需求,尤其是基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的應(yīng)用必須要符合5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)和微基站的應(yīng)用特征。5G 的小基地站可能建置于任何地點(diǎn),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(diǎn)。因此5G 的電源供應(yīng)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(duì)設(shè)備的要求也高,設(shè)備的體積是否夠小、夠輕薄也是一大考驗(yàn)。針對(duì)這些要求,深圳索瑞德電子有限公司研發(fā)了一款防護(hù)等級(jí)為IP65的自冷型室外小型一體化高頻開關(guān)電源系統(tǒng)。
二? 設(shè)計(jì)要求
1?該一體化電源設(shè)備用于室外鐵塔燈桿、室內(nèi)弱電井、微站等環(huán)境惡劣場(chǎng)景,為通信網(wǎng)絡(luò)末端的通信設(shè)備如RRU等設(shè)備供電。能夠滿足壁掛、抱桿、角鋼塔等應(yīng)用場(chǎng)景,支持旗裝、平裝等安裝方式。
2?一體化電源產(chǎn)品為模塊拼裝式產(chǎn)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)。電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)至少2個(gè)電源模塊及電池模塊的并聯(lián),模塊數(shù)量可根據(jù)容量、備電需求、負(fù)載情況擴(kuò)展。
3?設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn),但不限于以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 4208-2017 《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》、YD/T 944-2007 《通信電源系統(tǒng)的防雷技術(shù)要求和測(cè)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(guān)電源系統(tǒng)》、YD/T 731-2008《通信用高頻開關(guān)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(shè)備應(yīng)適用于日曬、雨淋、滴水、風(fēng)吹、冰凍、灰塵、潮濕的室外環(huán)境,并能正常運(yùn)行。
5?溫度范圍:工作溫度范圍:-40℃~+55℃;儲(chǔ)運(yùn)溫度范圍:-40℃~+60℃。
6?相對(duì)濕度范圍:工作相對(duì)濕度范圍:≤95%不結(jié)露(40℃±2℃),儲(chǔ)運(yùn)相對(duì)濕度范圍:≤95%不結(jié)露(40℃±2℃)。
7?設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然散熱,元器件布局及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,取消風(fēng)扇等機(jī)械散熱構(gòu)件。電源模塊寬度不得超過(guò)350mm,高度不得超過(guò)450mm,深度不得超過(guò)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(guò)壓欠壓、過(guò)流以及短路保護(hù)等功能。
11?輸出具有三路以上的接口,方便擴(kuò)容,具有防反插功能等。
12?整流模塊的效率要達(dá)到94%以上
三、設(shè)計(jì)思路
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,由于我司研發(fā)的5G電源產(chǎn)品功能非常強(qiáng)大,所以在這里主要介紹以下幾個(gè)設(shè)計(jì)方面。
1?散熱設(shè)計(jì)
5G設(shè)備電源采用壓鑄式鋁合金殼散熱,完全實(shí)現(xiàn)自冷的方式,如圖1所示。采用鋁合金是因?yàn)殇X的高效導(dǎo)熱性,是保持杰出散熱功能的決定因素和熱能轉(zhuǎn)換的最理想介質(zhì)。它的特色是:用時(shí)少,效率高。輕盈機(jī)靈,便于加工是一大特色。平等標(biāo)準(zhǔn)的散熱器,鋁的分量是鋼制散熱器的1/3。傳統(tǒng)風(fēng)冷電源的風(fēng)扇壽命一般是5萬(wàn)小時(shí)左右,采用鋁殼式散熱可以克服傳統(tǒng)風(fēng)冷模塊電源的風(fēng)扇壽命故障,設(shè)備的使用壽命可以達(dá)到15萬(wàn)小時(shí)以上,且不需要經(jīng)常維護(hù)。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
5G設(shè)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(shè)計(jì),交流輸入L、N和接地。輸出采用兩芯式設(shè)計(jì),正和負(fù),避免輸入和輸出插錯(cuò)。輸出插頭采用限位式設(shè)計(jì),避免正負(fù)插反。這種防水式航空插頭可以避免來(lái)自各個(gè)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(diǎn)。
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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。用在帶有電線為主的連接,能夠?qū)崿F(xiàn)大批量快速生產(chǎn),而且同時(shí)還能保證氣密連接。
3?安裝方式
5G電源可以實(shí)現(xiàn)旗裝、平裝等安裝方式,可以滿足壁掛、抱桿、角鋼塔等應(yīng)用場(chǎng)景。安裝圖片如圖3所示。
圖3 安裝方式
為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召,現(xiàn)在電源產(chǎn)品越來(lái)越傾向于高效化。為了實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì),我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)采用軟開關(guān)LLC諧振電路,LLC拓?fù)湟云涓咝еQ,受到廣大電源設(shè)計(jì)工程師的青睞??偹苤?,LLC 拓?fù)涞囊韵绿攸c(diǎn)使其廣泛的應(yīng)用于各種開關(guān)電源之中:
? LLC 轉(zhuǎn)換器可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。
? 能夠在輸入電壓和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出,同時(shí)開關(guān)頻率變化相對(duì)很小。
? 采用頻率控制,上下管的占空比都為50%.
? 減小次級(jí)同步整流MOSFET的電壓應(yīng)力,可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。
? 無(wú)需輸出電感,可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。
? 采用更低電壓的同步整流MOSFET, 可以進(jìn)一步提升效率。
LLC電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖4所示:
圖4 基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
經(jīng)過(guò)測(cè)試,公司設(shè)計(jì)的5G通信設(shè)備電源效率高達(dá)96%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的高效為基站大大減少了能耗,經(jīng)過(guò)粗略估算,一個(gè)5000W的開關(guān)電源系統(tǒng),一年可以節(jié)省電費(fèi)大概1000元,縮減了客戶或者運(yùn)營(yíng)商的電費(fèi)成本。
5?輸入PFC拓?fù)?o:p>
PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrecTIon”,意思是“功率因數(shù)校正”,作用是對(duì)輸入電流波形進(jìn)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(guān)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?,當(dāng)功率因素值越大,代表其電力利用率越高。傳統(tǒng)的離線開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流。這會(huì)給電源線和電力設(shè)施帶來(lái)壓力,增加電力系統(tǒng)負(fù)荷,增加無(wú)功損耗。此外,諧波還會(huì)影響連接同一電源線的其他電子設(shè)備。在開關(guān)電源系統(tǒng)里面增加有源功率因素校正可以解決這個(gè)問(wèn)題,自從歐盟建立了針對(duì)電子設(shè)備的EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)和A14修正案以來(lái),PFC越來(lái)越重要。
針對(duì)上述情況,在5G設(shè)備電源上公司采用有源式boost升壓電路實(shí)現(xiàn)PFC。采用PFC方案可以減少對(duì)輸入濾波器的要求,并可以防止市電電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊。開關(guān)管V的電壓超過(guò)輸出電壓值。同時(shí)功率開關(guān)管和輸出電壓共地、控制驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單??梢栽趪?guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輸入電壓和頻率的變化范圍內(nèi)保持正常工作,正常工作時(shí)功率因素達(dá)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(shè)備電源上留有傳統(tǒng)的RS232接口和RS485接口,另外還留有強(qiáng)大的CAN總線接口。CAN總線的應(yīng)用使得多個(gè)電源模塊之間可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限并聯(lián),使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制,同時(shí)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信、提高傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,有利于對(duì)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(diǎn):
l 具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);
l 采用雙線串行通信方式,檢錯(cuò)能力強(qiáng),可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;
l 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能,多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN 控制器掛到CAN-bus 上,形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò);
l 可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文;
l 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制;
l 發(fā)送的信息遭到破壞后,可自動(dòng)重發(fā);
l 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能;
l 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址,僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。
5G通信電源通訊接口采用防水式設(shè)計(jì),不使用時(shí)采用防水蓋蓋住,如圖6所示,可以有效防止各個(gè)方向的噴水,防水等級(jí)達(dá)到IP6X。
圖6 防水蓋
4. 結(jié)論
經(jīng)過(guò)以上詳細(xì)介紹,公司設(shè)計(jì)的5G通信設(shè)備電源完全可以滿足設(shè)計(jì)要求,甚至有些參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求,因此是一款性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠的電源產(chǎn)品。
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16) GB/T 4797.5-2017《環(huán)境條件分類自然環(huán)境條件降水和風(fēng)》