【導讀】新一代的移動通信網(wǎng)——5G網(wǎng)絡(luò)已成為廣大社會群眾的關(guān)注焦點。從目前全球頻譜分布來看，要想獲得更多的帶寬，5G頻段高頻化成為必然趨勢，而高頻化所帶來的覆蓋區(qū)域變小將導致5G時代全球站點數(shù)量倍增，站點能耗翻倍，電源功率密度提升成為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(shù)創(chuàng)新研討會”上，納芯微市場總監(jiān)張方文以《應(yīng)對國產(chǎn)化需求的5G電源用隔離IC一站式解決方案》的主題演講，詳細介紹了納芯微電子針對5G電源應(yīng)用中的通信電源、二次電源、電源磚等隔離產(chǎn)品解決方案。本文將帶大家一起了解下這些解決方案。
由于5G的多天線陣列技術(shù)，發(fā)射接受通道從原來最多8路變成了32或64路，為減小饋線損耗，5G基站將RRU和天線集成為一起成為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(nèi)部的二次電源部分DC-DC）兩個部分。
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(shè)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
● 室外柜或室外刀片站增加
● 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，采取多運營商共享站點的方式，站點統(tǒng)一交給鐵塔公司管理，一個站點給多個運營商設(shè)備供電，對于拉遠的5G設(shè)備，采取升壓供電的方式；而站址難獲取的地方，則通過室外柜或室外刀片電源就近供電。設(shè)備功耗激增導致備電需求也增加，采用功率密度更高的鋰電池備電可以減小占地面積。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(shè)備的下電順序，選擇最合理的方式備電，可以降低備電成本。
電源部分：
室內(nèi)或室外柜中的嵌入式電源都是PSU形式，通常單個PSU的功率為3KW或4KW，根據(jù)負載需求按N+1冗余配置。PSU的典型架構(gòu)如下圖所示：
AC-DC電源通常需要兩級拓撲：PFC+LLC，兩級拓撲分別需要閉環(huán)控制，所以通常會采用兩顆主控芯片，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(shù)字隔離器NSi81xx實現(xiàn)信息交互；LLC的驅(qū)動通過隔離驅(qū)動NSi6602DW或者數(shù)字隔離器NSi8120＋驅(qū)動器的方式實現(xiàn)；原邊PFC電路一般選擇交錯無橋PFC電路，驅(qū)動通過高壓半橋驅(qū)動或者單管隔離驅(qū)動NSi6601DW+單管非隔離驅(qū)動實現(xiàn)；PSU對外接口一般選擇CAN通信，可以通過2通道數(shù)字隔離NSi8121N0+CAN收發(fā)器或隔離CAN芯片NSi1050實現(xiàn)。
刀片電源的主拓撲架構(gòu)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。另外刀片電源因為是自然散熱，內(nèi)部板溫相對較高，不會用光耦這類溫度范圍窄的器件，隔離都要用數(shù)字隔離器實現(xiàn)。
備電部分：
由于鋰電池在嚴重過充電狀態(tài)下存在爆炸的危險，因此，必須為鋰電池配備一套具有針對性的鋰電池管理系統(tǒng)BMS從而對電池組進行有效的監(jiān)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(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
電芯包采樣部分，大多數(shù)廠家會選擇成熟的AFE芯片來做電芯電壓采樣和均衡，基站備電的電芯數(shù)一般為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：
也有一些BMS廠家覺得MCU自帶的ADC精度不高，用外置ADC來做電芯電壓采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，多于一顆的ADC通過標準數(shù)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(guān)。
基站電源解決方案
為了更清晰的了解基站二次電源架構(gòu)，首先了解下AAU和RRU在內(nèi)部架構(gòu)上的差異，如下圖：
從兩張供電架構(gòu)圖的對比可以看出，AAU由于功放通道數(shù)增加，功放功率和TRX的功率需求都有增加。為保證端到端轉(zhuǎn)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，為減小線損，會選擇12V母線。正是由于以上差異，基站內(nèi)部電源結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，如下圖所示：
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由于要滿足功放調(diào)壓需求且一般需要隔離，所以會采用兩級拓撲，一級BUCK或BUCKBOOST實現(xiàn)調(diào)壓，一級開環(huán)全橋?qū)崿F(xiàn)隔離。而給TRX供電的DC-DC一般采用閉環(huán)全橋的一級拓撲，直接實現(xiàn)12V輸出，這跟同樣需要12V輸出的BBU里面的電源是同樣的拓撲。
給功放供電的DC-DC電路拓撲架構(gòu)如上圖所示，電路的主控一般采用數(shù)字控制芯片，由于全橋是開環(huán)的，所以第一級電路的環(huán)路控制可以采最后的輸出電壓，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(diào)壓等需求。原邊部分電路的驅(qū)動控制通過隔離驅(qū)動或者數(shù)字隔離器＋驅(qū)動器的方式實現(xiàn)，由于基站電源對體積要求很高，一般會選用LGA封裝的隔離驅(qū)動NSi6602LA，而BBU這種體積要求不高的，則會選用兩通道數(shù)字隔離器NSi8120+驅(qū)動器的方式，以方便靈活布局。此外，基站有上報輸入功率的需求，一般采用獨立的輸入功率檢測芯片檢測之后，經(jīng)I2C數(shù)字隔離器NSi8100NH上報給上位機。對于BBU這種插板式架構(gòu)，還需要I2C熱插拔芯片NCA9511來保證板和板之間的信號傳輸質(zhì)量。
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