Обеспечение питания малых сот 5G с помощью эффективных решений для энергоснабжения

Все мы слышали о грядущем стандарте 5G с его большей пропускной способностью и покрытиями мобильной связью с меньшими задержками. Однако 5G работает на гораздо более высоких частотах, чем 4G-LTE. Текущие системы LTE работают ниже диапазона 3,6 ГГц. Системы 5G первого поколения будут работать в диапазоне менее 6 ГГц (в нелицензируемом спектре частот между 3,5 ГГц и 6 ГГц). Новые сети 5G будут поддерживать еще более высокую пропускную способность и, следовательно, должны будут работать в миллиметровом диапазоне длин волн (mmWave).

Сети 5G помогут реализовать скорость передачи данных до 10 Гбит / с, что не только приведет к более быстрой загрузке мобильных устройств, но также обеспечит бесперебойную работу умных городов, подключенных автомобилей и интернет вещей (IoT).

Основными кандидатами для будущих диапазонов частот сети 5G являются 24,25–27,5 ГГц, 27,5–29,5 ГГц, 37 ГГц, 39 ГГц и 57–71 ГГц. Преимущества использования более высоких частот заключаются в бесплатном нелицензированном спектре и гораздо более широкой полосе пропускания. Но вместе с этими более высокими частотами возникают проблемы с дальностью и глубиной проникновения сигнала.

Волны 5G могут нести большой объем данных. Но они будут иметь небольшую дальность (до 100 м) и не смогут эффективно преодолевать препятствия, в том числе некоторые виды строительных материалов. Вышки сотовой связи 4G-LTE доставляют сотовые данные на расстояние до 30 миль (50 км). Новые вышки сотовой связи 5G mmWave охватят лишь несколько кварталов. Кроме того, эти сигналы подвержены преградам, которые создают окна, двери и даже дождь.

Для того, чтобы сеть 5G работала, необходимы миллионы малых сот 5G. По некоторым оценкам, только в США будет развернут один миллион малых сот 5G — по одной на каждые несколько сотен футов. Малые ячейки будут более распространены в городских условиях из-за плотности населения и плотности застройки.

Такие компании, как SureCall, разработали платформу для усиления сигналов 5G mmWave, соответствующую требованиям FCC, которая усиливает сигналы с частотой 28 ГГц. Компания SK Telecom в Корее разработала решение 5GX внутри зданий, которое может вдвое увеличить скорость передачи данных 5G внутри зданий. «Мы ожидаем, что в эпоху 5G 80% трафика данных будет поступать из зданий, — сказал Пак Чон-Кван, возглавляющий лаборатории 5GX Labs в SK Telecom.

Компании начали разработку систем малых сот 5G, чтобы реализовать новый стандарт. Прогноз на 2020 год для развертывания малых сот 5G во всем мире составляет 742000 единиц. И ожидается, что к 2024 году он составит не менее 3,4 миллиона единиц, а среднегодовой темп роста за пять лет составит 75% . Ожидается, что основная часть глобального развертывания будет в Азиатско-Тихоокеанском регионе (56%), в первую очередь за счет спроса в Китае. В Северной Америке будет развернуто 19% мировых малых сот 5G. В регионах Европы, Ближнего Востока и Африки (EMEA), а также Центральной и Латинской Америки (CALA) в 2024 году будет развернуто 16% и 9% соответственно.

Типы малых ячеек 5G (small cell)

Малая сота (ячейка) — это в основном небольшая базовая станция, которая реализует сотовую сеть с использованием меньших систем, таких как фемтосоты, пикосоты и микросоты. Они могут быть внутри жилого дома, в многоквартирном доме или небольшом районе. Маленькие ячейки 5G обычно используются в очень густонаселенных городских районах, таких как торговые центры, стадионы, железнодорожные станции, аэропорты и офисные здания, или в любом месте, где много людей используют интернет в определенный момент времени.

Малые соты позволяют развертывать 5G за счет увеличения емкости данных и устранения дорогостоящих вышек на крыше. Они позволяют мобильным устройствам быть ближе к базовой станции, что позволяет работать с меньшей мощностью для увеличения срока службы батареи. Три небольшие ячейки, доступные сегодня, имеют отличительные особенности (Таблица ниже).

Фемтосоты

Фемтосоты, самые маленькие из малых сот, в основном используются для расширения покрытия в жилых помещениях или в среде малого бизнеса. Эти маломощные и недорогие устройства расширяют зону покрытия и пропускную способность в средах, куда сотовые сигналы не могут проникнуть. Фемтосоты обычно устанавливаются конечным пользователем самостоятельно.

Пикосоты

Пикосоты обычно применяются в больших помещениях, таких как торговые центры, больницы и отели. Они могут обслуживать большую физическую зону с увеличением мощности передачи по сравнению с фемтосотами. Пикосоты обычно устанавливаются и обслуживаются оператором связи или сети. Расположение и размещение малых сот также централизованно планируется оператором сети.

Микросоты

Микросоты — это базовые станции с низким энергопотреблением, предназначенные для одновременной поддержки до 2000 активных пользователей. Их покрытие и пропускная способность обычно более существенны, чем у пикосот. Микросоты обычно прикрепляются к фонарным столбам, опорам, автобусным остановкам или стенам зданий. Они позволят использовать такие приложения, как умные города.

Проблемы развертывания малых сот 5G

Малые ячейки должны быть спроектированы таким образом, чтобы поместиться в доступном пространстве. Это может быть верхняя часть фонарного столба, крыши некоторых зданий, столбы инженерных сетей или светофор, например. Это создает ограничения на проектирование системы. Таким образом, ключевая цель проектирования — сделать эти системы как можно меньше.

Тепловыделение всей системы также должно быть как можно меньше для наружного развертывания, особенно с учетом небольшого форм-фактора. Компоненты, составляющие систему с малыми сотами, должны быть меньше по размеру и рассеивать очень мало тепла. Поскольку в некоторых случаях может потребоваться резервная батарея, очень важно, чтобы система могла переключиться на батарею при отключении электроэнергии. Кроме того, в конструкции должны быть предусмотрены изоляция и защита от скачков напряжения и тока, чтобы эти системы были надежными и долговечными.

Рассеивание тепла

Маленькие элементы обычно не имеют вентиляторов или другого активного охлаждения, встроенного в конструкцию. Компоненты системы должны иметь очень низкую теплоотдачу. Современные микропроцессоры и ПЛИС (FPGA) оптимизированы для работы с низким энергопотреблением (что напрямую связано с тепловыделением). Однако регулятор, который питает различные шины напряжения в системе, может быть одним из основных источников рассеивания тепла.

Малые элементы могут работать либо от источника питания 24 В постоянного тока, либо от источника питания 48 В +, если система питается через Ethernet (PoE), либо от батареи. В любом случае источник питания должен эффективно генерировать регулируемые шины (5, 3 и 1,8 В) для системной электроники, чтобы минимизировать потери мощности.

Есть два важных показателя производительности для определения тепла, рассеиваемого регулируемым источником питания: эффективность преобразования энергии и тепловое сопротивление (также называемое θJA или тепловое сопротивление переход корпус диода), измеряемое в ° C / Вт. Этот второй показатель иногда теряется в таблице и часто не учитывается.

Давайте посмотрим на типичный регулируемый преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC преобразователь). Эффективность преобразования энергии и тепловое сопротивление напрямую связаны с рабочей температурой перехода устройства, которая обычно ограничивается + 125 ° C, а иногда и 150 ° C, и это напрямую связано с надежностью и частотой отказов:

Повышение температуры перехода = θJA [° C / Вт] × потеря мощности [Вт]

Потери мощности = (1 / КПД — 1) × выходная мощность

Обычный силовой преобразователь постоянного тока 60 В, 3 А, такой как MAX17574 от Maxim Integrated, имеет тепловое сопротивление (θJA) 24 ° C / Вт и КПД 90% при преобразовании с 24 В в 5 В при токе 3 А. При применении приведенных выше формул повышение температуры перехода составляет 40 ° C (Таблица ниже). Это примерно вдвое меньше повышения температуры перехода по сравнению с другими мощными DC-DC преобразователями.

Температура корпуса или окружающей среды должна быть добавлена к растущей температуре перехода, чтобы определить рабочую температуру перехода:

Рабочая температура перехода = температура окружающей среды + повышение температуры перехода

Небольшим элементам, возможно, придется работать в жарких условиях окружающей среды, при отсутствии воздушного потока, при температуре окружающей среды около + 60 ° C (а иногда даже 70 ° C). Таким образом, система должна быть оптимизирована для минимального рассеивания тепла. Более высокое тепловое сопротивление корпус — переход (θJA) при даже небольшом снижении эффективности может привести к тому, что устройство будет работать за заданными пределами, что значительно снизит надежность и повысит вероятность отказов.

Защита системы 5G

Малые соты 5G должны быть сверхнадежными, поскольку сбой системы означает потерю доступа к сети 5G. Кроме того, они должны продолжать работать, несмотря на такие события, как скачки напряжения, случайные короткие замыкания и переходные процессы. Стоит потратить немного больше, чтобы сделать систему невосприимчивой к перегрузкам по току, перенапряжению и переходным процессам.

Существует новый класс интегрированных устройств защиты, которые обеспечивают интеллектуальную защиту и настраивают реакцию на такие события. Хотя эти устройства действительно требуют дополнительных затрат, они, вероятно, являются самой дешевой страховкой для системы.

Например, рассмотрим событие, которое вызывает внезапный скачок напряжения. Обычно ограничитель переходных напряжений (TVS) в системе ограничивает скачок напряжения до максимального значения 53,3 В. Любой электронный компонент, подключенный к этой шине напряжения, должен выдерживать не менее 53,3 В. Хотя это бывает редко, иногда неправильное подключение может вызвать короткое замыкание на входе или даже пробой. Это повреждает элементы, и защита должна работать очень быстро.

В некоторых системах есть конденсатор большой емкости или суперконденсаторы, которые потребляют высокий пусковой ток во время подключения к сети. Этот скачок тока может повредить разъемы, сжечь предохранители и вызвать появление колебания напряжения на объединительной плате.

Вот как современная интегральная схема (ИС) защиты защищает систему. ИС, которая работает от +4,5 до +60 В при нагрузке 1 А, может выдерживать отрицательное входное напряжение до -65 В (схема ниже). Она включает в себя интегрированный PFET и NFET для защиты от прямого / обратного напряжения или тока, программируемую защиту от пониженного / повышенного напряжения, пороговые значения ограничения тока и режимы реакции на неисправность, а также тепловую защиту с флажками индикатора неисправности. Эта интегральная схема (ИС) имеет точность измерения тока ± 3%, тогда как дискретное решение обычно дает от ± 20% до ± 40%, что означает значительное улучшение производительности.

Интегральная схема также сообщает о мгновенном значении тока нагрузки на выводе SETI. Эта функция помогает системе контролировать потребление тока каждой печатной платой. Устройства можно запрограммировать на три различных режима работы в условиях ограничения тока: автоматический повтор, непрерывный режим или режим с фиксацией. Это полезный способ для разработчика системы решить, как управлять переходным режимом нагрузки, чтобы минимизировать время простоя системы и затраты на обслуживание.

Кроме того, это устройство используется в качестве защиты от пускового тока. Управляющий полевой транзистор рассеивает большое количество энергии во время пуска из-за значительной разницы между входным и выходным напряжениями. Интегрированная с течением времени мощность является энергией, которая нагревает полевой транзистор. Эти устройства имеют функцию защиты от обратного тока с термическим управлением, которая всегда удерживает внутренний силовой транзистор MOSFET в пределах безопасной рабочей зоны (SOA).

Устройство переходит в режим ограничения мощности, если его температура достигает порогового значения температуры теплового возврата. Он термически регулирует ток через силовой ключ в этом режиме, чтобы защитить себя, при этом обеспечивая максимально возможный ток на выход, независимо от типа ограничения тока. Это постоянно заряжает большую емкостную нагрузку во время старта. Кроме того, он предотвращает перегрев устройства во время запуска, если температура окружающей среды слишком высока.

Преимущество такого подхода заключается в том, что нет перегрева полевых транзисторов, что приводит к более безопасной работе системы. Это также приводит к гораздо более простой конструкции, поскольку нет никаких «догадок» при выборе размера полевого транзистора для обеспечения его соответствия SOA. Эта функция представлена в 12-выводном корпусе TDFN-EP размером 3 x 3 мм.

Другой способ защитить небольшую систему 5G — добавить цифровую изоляцию к контактам ввода-вывода микропроцессора или FPGA. Большинство устройств цифровой обработки могут выдерживать максимальное напряжение 5 В на своих входах / выходах. Микропроцессор или ПЛИС могут быть необратимо повреждены, если произойдет скачок напряжения или будет приложено длительное повышенное напряжение. Многоканальные цифровые изоляторы с двумя, четырьмя или шестью каналами доступны в небольшом корпусе с очень низким энергопотреблением. Независимые рейтинговые агентства, такие как VDE и TuV, приравнивают их к оптопарам.

Затраты важны при обслуживании всей системы. Недорогой, маломощный многоканальный цифровой изолятор имеет смысл, учитывая повышение надежности и срок службы системы.

Итоги

Малые соты 5G являются ключевыми строительными блоками сотовой инфраструктуры нового поколения и преобразуют способы взаимодействия миллиардов подключенных устройств друг с другом. Они достигнут этой цели за счет высоких скоростей передачи данных и увеличенной пропускной способности.

Однако остается еще много проблем, таких как эффективность и энергопотребление, поскольку для малых ячеек требуется уменьшение размера, веса и потребления энергии. Эти проблемы требуют эффективных устройств питания DC — DC со значительно уменьшенными тепловыми профилями. Уменьшение выделения тепла позволяет маленьким элементам работать в суровых внешних условиях, обеспечивая при этом надежность.

Кроме того, малые ячейки 5G следующего поколения будут включать в себя некоторые из самых передовых компонентов, например FPGA и сборки миллиметрового диапазона. Эти компоненты относительно дороги и чувствительны к скачкам напряжения на системном уровне и другим помехам. Все чаще требуются интегрированные решения для защиты этих чувствительных устройств, чтобы уменьшить количество отказов в полевых условиях и в конечном итоге снизить общую стоимость.