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湖州應(yīng)對國產(chǎn)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(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(dǎo)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(xì)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。

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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。

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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(dǎo)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(dǎo)致拉遠(yuǎn)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(yuǎn)供電

  • 鋰進(jìn)鉛退,鋰電代替鉛酸電池備電

  • 站點控制智能化:溫控、精準(zhǔn)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(yuǎn)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(dǎo)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(zhǔn)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。

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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(fù)載需求按N+1冗余配置。PSU的典型架構(gòu)如下圖所示:

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AC-DC電源通常需要兩級拓?fù)洌篜FC+LLC,兩級拓?fù)浞謩e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(fù)責(zé)PFC電路,副邊主控負(fù)責(zé)LLC電路,兩顆主控芯片之間可以通過標(biāo)準(zhǔn)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?fù)浼軜?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(yán)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(jìn)行有效的監(jiān)控、保護(hù)、能量均衡和故障警報,進(jìn)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:

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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:

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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(biāo)準(zhǔn)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:

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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)換效率更高,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:

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可見,5G的基站電源會比4G更復(fù)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?fù)?,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?fù)?,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?fù)洹?/p>

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給功放供電的DC-DC電路拓?fù)浼軜?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(jī)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(jī)。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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請發(fā)郵件至tommy.wang@meiyiic.com 索取關(guān)于納芯微5G電源隔離解決方案的更多信息。


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