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政策推动下,5G基站电源的应用现状
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政策推动下,5G基站电源的应用现状

2022-08-16 15:35:50 来源: 作者:半导体器件应用网 点击:26633

【哔哥哔特导读】国家大力推动5G网络的建设中,5G基站电源应用目前面临着怎样的状况?

前言

自2019年,5G应用进入商用元年,国家政策对5G基站建设的重视度不断上升。据工业和信息化部最新统计,截至4月末,中国已建成5G基站161.5万个,成为全球首个基于独立组网模式规模建设5G网络的国家。5G基站占移动基站总数的16%。中国5G基站总量占全球60%以上,每万人拥有5G基站数达到10.1个,比上年末提高近1倍。而配合5G基站电源产品也得到广泛应用。

5G基站电源应用情况

5G基站电源主要由给PA供电电源和板上电源两部分组成。 尤其是在MIMO里面由于通道数增多,PA功率提升很快。给PA供电电源主要是从-48V经过电源来实现。另外在板上还有很多诸如ASIC/FPGA等功耗比较大的处理芯片,对整机的功耗也有很大的影响,同时也有给其它诸如接口等供电的电源。

一般来讲,5G基站功耗是4G基站的3~4倍,AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因。由此也带来运营商电费的直线上升,因此5G的功耗控制,对于运营商和设备商来说,是一个非常紧迫的问题。详见下表4G RRU与5G AAU所需的电源功率。

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目前5G基站的部署量在高速增长,在可持续发展的时代背景下,5G基站也会更小,更轻,更加绿色。电源方案的功耗,效率以及面积是重要影响因素,5G基站电源的主要部分都有很大的优化空间。

安森美中国区通讯与服务器市场应用工程总监蒋怀刚认为,针对功耗问题,目前主要的应对举措包括:采用更高效工艺制程的芯片、更节能的器件材料,引进更科学的散热方法,以及通过更先进的功率封装技术进行节能提升效率。这方面的市场空间仍是非常大的。

5G基站主要分为宏基站和小基站。中兴通讯通信电源研发部总工熊勇认为,小基站对于宏基站而言,更多是为了扩容需要,导致电源替换效率要更高,比如要达到98%以上的变换效率。二是它的功率密度提升,在更小的体系能够支持更多的功率输出。

随着数量的爆炸性增长,小基站为应用场景会带来了功耗增加、电力引入困难、电池存储能力增加等挑战,同时也面临着主机问题、空间安装问题、升级改造问题等。

另一方面,随着数量增加之后,设备种类增加,运维费用也会逐渐增多。类似于自动驾驶以及远程医疗等新业务对5G基站的提出可靠性和高效更高要求。熊勇认为,对于小基站点会要求更小型化、轻型化,并且容易安装、快速部署,同时能够节省工程费用和改善运维方式。

5G基站电源模块开发和设计面临哪些新挑战?

总的来说,目前5G基站电源模块在开发和设计上主要面临效率、功率密度、可靠性和散热等挑战。

功率密度方面,由于板上器件物料越多,功耗越来越大,而未来又有基站小型化的需求,因此电源功率密度需要更高,目前主要通过更高的开关频率来减少外围器件的面积。

安森美于近日推出的业界首款临界导通模式(CrM)PFC控制器NCP1680,以及连续电流模式适用于图腾柱PFC的NCP1681,可以灵活配合GaN实现99%效率的高功率密度5G基站电源方案。

5G基站设备站点部署逐渐增多,那么对于供电需求大幅增加,节能减排的需求越发明显。因此,需要提高重载和轻载时的效率。

另外针对目前5G通讯基带芯片70A~100A以上的大电流解决方案,安森美也提供了多项电源:多相+智能功率级方案。除了大幅提升系统效率,节省电费的同时,因为封装上兼容其他主流厂商,在今天缺货大环境的情况下也极大地为5G客户保障了multi-source供应隐患。

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TI资深现场应用工程师Given Ding认为,另一大挑战则是质量管控。基站对于可靠性一直具有非常高的要求,而随着功耗的增加,电源芯片功耗越来越大,导致更大的电应力和热应力,给基站的可靠性带来了挑战。

据了解,TI本身对可靠性相关测试具有严格把控,而在芯片规格上,产品也有相应的升级,诸如新发布的TPS543620等器件,结温Tj从传统的125C提升到150C,给予实际应用更多的余量。在保护机制上,TI多相方案均通过多重过流保护或短路保护来提升可靠性。

从系统角度来说,智慧监控要求对实际工况进行监控上报。TPS546D24等带有通讯接口的器件也都会上报电压电流,同时发生故障时也会对状态寄存器置位上报,以便于排查。同时,芯片在上电之前会有自检的过程。

第三代半导体材料使用占比不足10%

第三代半导体主要是以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的新型功率器件。氮化镓一直是基站里制造高射频PA的半导体材料。同样SiC器件Tj温升可以达到175℃,大幅提升5G基站寿命和可靠性。

蒋怀刚指出,目前5G基站电源使用第三代半导体材料的占比还小于10%。主要的制约因素还是目前应用方面特别是驱动、PCB布局、封装技术工艺制造以及周边的电感变压器,EMI滤波器等受高频的限制等,再有则是价格和系统可靠性等制约因素。

价格方面,第三代半导体还在持续升级并且可以降低30%的损耗,但由于其成本依然高于SiMOS,所以限制了其在通信电源行业的大规模应用。当前市场上基于SiMOS的传统通信AC/DC电源的整体效率普遍可以达到97%,但其效率的提升空间较为有限。基于第三代半导体材料的系统效率就可以达到98%以上。通信电源的终端客户目前还是更多考虑成本和效率之间的平衡。

针对成本问题,TI GaN创新性的设计出了集成驱动器、保护和温度报告的GaN FET,在提升系统性能的同时也优化了系统的整体成本。

据悉,今年五月份国内某大厂已经宣布量产了使用了GaN的3KW超功率密度(100 W/inch3)服务器电源,相信很快会延伸到更多通讯客户电源方案的革新与换代。

可靠性方面,第三代半导体由于其高耐压、高开关频率的特性,对其可靠性提出了很大的挑战。加至通信电源对于整个通信系统的安全运行非常关键,其设计寿命平均为10年以上,对于系统的可靠性有很高的要求。

针对可靠性问题, TI GaN通过了硅鉴定标准和JEDEC,并且通过了JEP180,证明TI GaN在元件级和电源应用中均具有可靠性。

与之配套的,安森美提供相应的驱动器IC,如NCP51820/NCD57252/NCP51561等, 甚至还专门开发了将驱动器+ GaN集成一体的系列,可大大简化GaN以及SiC系统设计难度,简化设计。

另外,安森美也推出了业界第一款TOLL封装的650V SiC NTBL045N065SC1。除了更小尺寸之外,TOLL封装还提供更好的热性能和更低的封装电感(2 nH)。其开尔文源极(Kelvin source)配置可确保更低的门极噪声和开关损耗,确保在具有挑战性的电源设计中能显著提高能效和功率密度,以及改善电磁干扰(EMI)和更容易进行PCB设计。

目前来看,虽然第三代半导体材料使用占比还小,但安森美、TI等国际大厂均提供了相应的解决方案。相信随着下游企业对新器件应用的熟悉,假以时日,第三代半导体一定会逐渐取代原有硅MOSFET。

功率器件迎来机遇与挑战

整体来说,5G基站设备功耗约为4G的3~4倍,而且需要部署2~3倍4G基站数量才可以达到相同的网络覆盖面积,未来5G网络的功耗将是4G的6~12倍。所以5G基站的高功耗、高密集布站需求就对系统效率、系统散热和功率密度提出了挑战,同时这些挑战也给功率器件带来了更多的机遇。

效率方面,相较于SiMOS,第三代半导体GaN/SiC的开关速度更快,降低开关损耗,继而提升系统效率。并且在PFC电源设计中,由于GaN没有体二极管,其可以比SiC实现更高的峰值效率。TI资深现场应用工程师Kevin Wen介绍,TI GaN内部集成了驱动器,进一步降低了硬开关损耗。目前基于TI GaN的5Kw PFC设计的峰值效率已经可以达到99%。

功率密度方面,使用GaN可以减小PCB板上的无源器件的尺寸,缩小布板空间,从而减小系统尺寸和重量。TI GaN在通信AC-DC电源中可以将功率密度从小于50W/in3提升至大于100W/in3

散热方面,TI GaN FET封装的热阻抗比同类封装产品低23%,可以帮助工程师使用更小的散热器,并同时简化热设计。

蒋怀刚也认为,5G基站电源要求高功率密度和高能效, 这无疑需要从传统的DC-DC POL走向multiphase controller + Power stage的趋势,以及宽禁带第三代半导体带来高能效,更小体积的益处。

5G基站电源未来的发展趋势及企业市场布局

随着5G基站的大规模普及,相应的电源方案的需求也会不停需要提升,甚至更新换代。 5G基站电源的发展趋势主要向着解决方案小型化、高频化、高可靠性以及效率提升的目标前进。

据悉,目前安森美已经在第三代半导体方面大力布局,包括从基板衬底到最终产品,到封装相关的技术,增加产能,给客户提供越来越多的新产品,以及和客户签订长期供应协议等等。

此外,TI在5G市场有完善的布局与规划,合作客户覆盖全球通信市场,涵盖了通信电源的各类应用,在给客户提供解决方案和技术支持的同时与客户一起规划有竞争力的通信电源产品路标。各产品线为基站电源提供了全套的解决方案。

据透露,中兴通讯5G基站电源在全国范围内已占据1/3左右的市场份额。熊勇表示:“作为5G设备供应商,中兴通讯对主设备、场景应用以及客户有比较深刻的理解。我们会跟咱们的某些产品进行很好的配合,尽量实现全场景的端到端的整体解决方案,保证5G网络安全可靠运行情况下,也实现人员利用的最大化,然后促进人员管理的建设和高效的运维。”

麦格米特叶俸良也表示:“其实不管是从那个方面来考虑,这都是一个大的趋势。因为以后包括智能家电,自动驾驶等在内的领域都会用到。5G基站电源拥有非常大的市场前景。我们公司也在大力发展。”

他认为,目前深圳市已经推出自动驾驶公交和滴滴出租车的试点,市场已经进入试运营阶段。后续随着5G网络系统的成熟,未来5G基站应用一定是大力发展的方向。

结语

随着政策和市场应用的改善,5G基站数量正呈爆发式增长,5G基站电源市场迎来广阔空间。随着5G基站小型化、轻型化发展,5G基站电源正面临着更高功率密度、更紧凑的设计和更高能效等要求,同时运维费用也随着增加。这也为5G基站电源应用的进一步优化指明了方向。受制于价格方面的影响,第三代半导体材料的使用占比很小,但未来也会是应用趋势。我们也相信,随着5G网络系统的逐步成熟,自动驾驶、远程医疗、移动通信、数据中心等应用场景也将迎来广阔的市场机遇。

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