5G之光 5G电源

摘要：以5G为代表的移动通信技术正在与AI、大数据紧密结合，5G时代正在加速向我们走来，自动驾驶、远程医疗、智慧城市、智慧农业……一切都昭示着，5G将重塑我们生活的方方面面，开启一个万物互联的全新时代。传统的通信设备供电方式采用户外壁挂式或者落地式高频开关电源系统，此种方式占地面积大、造价成本高、安装复杂、容量大以及寿命短。5G电源的需求量要比4G时代大，微基站将越来越密，通讯设备会向着小型化发展，对基站电源供电架构，效率和功率密度等要求会更高，所以5G电源要有低成本、高效率、免占地和少工勘的配套方案，方便极简快速部署，为5G网络的快速覆盖保驾护航。针对5G电源的种种要求，本公司设计了一个解决5G设备供电的全新方案。 关键词：5G电源 微型基站 高频开关电源

一､引言 当前传统的室外站供电方案，普遍存在容量偏大，征地、安装维护困难等诸多问题，已经不能满足未来小微站点的需求，尤其是基础设施产品的应用必须要符合5G网络的发展趋势和微基站的应用特征。5G 的小基地站可能建置于任何地点，像是极冷、极热的地方和阴暗潮湿、布满灰尘的小角落，抑或是完全不具遮蔽条件的地点。因此5G 的电源供应器必须具有一定的防水、防尘及耐高温等特性。由于小基地站的布建密度高，因此对设备的要求也高，设备的体积是否够小、够轻薄也是一大考验。针对这些要求，深圳索瑞德电子有限公司研发了一款防护等级为IP65的自冷型室外小型一体化高频开关电源系统。

二､ 设计要求1､该一体化电源设备用于室外铁塔灯杆、室内弱电井、微站等环境恶劣场景，为通信网络末端的通信设备如RRU等设备供电。能够满足壁挂、抱杆、角钢塔等应用场景，支持旗装、平装等安装方式。2､一体化电源产品为模块拼装式产品类型，模块拼装式指将48V整流模块、DC280V升压模块（可选）、蓄电池模块拼装成的产品结构。电源系统可实现至少2个电源模块及电池模块的并联，模块数量可根据容量、备电需求、负载情况扩展。3､设计应满足以下标准，但不限于以下技术标准：GB/T 4208-2017 《外壳防护等级（IP代码）》、YD/T 944-2007 《通信电源系统的防雷技术要求和测试方法》、QB-H-005-2012《通信基站用磷酸铁锂电池》、YD/T 1058-2015《通信用高频开关电源系统》、YD/T 731-2008《通信用高频开关整流器》、GB/T 4797.6-2013《环境条件分类 自然环境条件 尘、沙、盐雾》等4､电源设备应适用于日晒、雨淋、滴水、风吹、冰冻、灰尘、潮湿的室外环境，并能正常运行。5､温度范围：工作温度范围：-40℃～+55℃；储运温度范围：-40℃～+60℃。6､相对湿度范围：工作相对湿度范围：≤95%不结露（40℃±2℃），储运相对湿度范围：≤95%不结露（40℃±2℃）。7､设备结构设计自然散热，元器件布局及散热结构设计合理，取消风扇等机械散热构件。电源模块宽度不得超过350mm，高度不得超过450mm，深度不得超过100mm。8､输入电压额定值：220Vac，单相三线制。9､输出电压范围：-43Vdc～-58Vdc，输出最大功率3000W。10､系统具备常规的输入输出过压欠压、过流以及短路保护等功能。11､输出具有三路以上的接口，方便扩容，具有防反插功能等。12､整流模块的效率要达到94%以上 三、设计思路 根据设计要求，由于我司研发的5G电源产品功能非常强大，所以在这里主要介绍以下几个设计方面。1､散热设计 5G设备电源采用压铸式铝合金壳散热，完全实现自冷的方式，如图1所示。采用铝合金是因为铝的高效导热性，是保持杰出散热功能的决定因素和热能转换的最理想介质。它的特色是：用时少，效率高。轻盈机灵，便于加工是一大特色。平等标准的散热器，铝的分量是钢制散热器的1/3。传统风冷电源的风扇寿命一般是5万小时左右，采用铝壳式散热可以克服传统风冷模块电源的风扇寿命故障，设备的使用寿命可以达到15万小时以上，且不需要经常维护。铝壳上下表面做成栅格状，加大散热面积。图1 铝合金压铸式外壳2､ 防反插设计5G设备电源输入输出电源接口采用具有防误差、防反插和防水的不锈钢航空插头插座，如图2所示。图2 输入输出电源接口 输入采用三芯式设计，交流输入L、N和接地。输出采用两芯式设计，正和负，避免输入和输出插错。输出插头采用限位式设计，避免正负插反。这种防水式航空插头可以避免来自各个方向由喷嘴射出的水侵入电器而造成损坏，具有快速连接和分离，耐环境好、可靠性高等特点。航空插头以压接方式安装，这种安装方式具有速度快、投资少，效率高、能实现自动化生产等特点。用在带有电线为主的连接，能够实现大批量快速生产，而且同时还能保证气密连接。 3､安装方式5G电源可以实现旗装、平装等安装方式，可以满足壁挂、抱杆、角钢塔等应用场景。安装图片如图3所示。 图3 安装方式4､DC/DC电路拓扑 为了响应国家节能减排的号召，现在电源产品越来越倾向于高效化。为了实现高效的设计，我们在设计时采用软开关LLC谐振电路，LLC拓扑以其高效著称，受到广大电源设计工程师的青睐。总所周知，LLC 拓扑的以下特点使其广泛的应用于各种开关电源之中：Ø LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。Ø 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。Ø 采用频率控制，上下管的占空比都为50%.Ø 减小次级同步整流MOSFET的电压应力，可以采用更低的电压MOSFET从而减少成本。Ø 无需输出电感，可以进一步降低系统成本。Ø 采用更低电压的同步整流MOSFET, 可以进一步提升效率。LLC电路的基本拓扑结构如下图4所示：图4 基本电路拓扑结构 经过测试，公司设计的5G通信设备电源效率高达96%，远远高出设计要求。系统的高效为基站大大减少了能耗，经过粗略估算，一个5000W的开关电源系统，一年可以节省电费大概1000元，缩减了客户或者运营商的电费成本。 5､输入PFC拓扑PFC的英文全称为“PowerFactorCorrecTIon”，意思是“功率因数校正”，作用是对输入电流波形进行控制，使其同步输入电压波形。功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。传统的离线开关模式功率转换器会产生带高谐波含量的非正弦输入电流。这会给电源线和电力设施带来压力，增加电力系统负荷，增加无功损耗。此外，谐波还会影响连接同一电源线的其他电子设备。在开关电源系统里面增加有源功率因素校正可以解决这个问题，自从欧盟建立了针对电子设备的EN61000-3-2标准和A14修正案以来，PFC越来越重要。针对上述情况，在5G设备电源上公司采用有源式boost升压电路实现PFC。采用PFC方案可以减少对输入滤波器的要求，并可以防止市电电网对主电路的高频瞬态冲击。开关管V的电压超过输出电压值。同时功率开关管和输出电压共地、控制驱动简单。可以在国标标准规定的输入电压和频率的变化范围内保持正常工作，正常工作时功率因素达到0.99以上，电路原理图如图5所示。图5 PFC电路原理图6､通讯方式 5G设备电源上留有传统的RS232接口和RS485接口，另外还留有强大的CAN总线接口。CAN总线的应用使得多个电源模块之间可以实现无限并联，使网络内的节点个数在理论上不受限制，同时各节点之间实现自由通信、提高传输的实时性，有利于对所有电源模块做均流处理。此外，采用CAN总线还具有以下优点：l 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；l 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；l 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；l 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；l 可靠的错误处理和检错机制；l 发送的信息遭到破坏后，可自动重发；l 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；l 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。 5G通信电源通讯接口采用防水式设计，不使用时采用防水盖盖住，如图6所示，可以有效防止各个方向的喷水，防水等级达到IP6X。图6 防水盖4. 结论经过以上详细介绍，公司设计的5G通信设备电源完全可以满足设计要求，甚至有些参数优于设计要求，因此是一款性能优异、稳定可靠的电源产品。 参考文献：1) GB 3096-2008 《声环境质量标准》2) GB 2894-2008 《安全标志》3) GB/T 4208-2017 《外壳防护等级（IP代码）》4) GB 50689-2011 《通信局站防雷与接地工程设计规范》5) YD 5083-2005 《电信设备抗地震性能检测规范》6) YD 5096-2016 《通信用电源设备抗地震性能检测规范》7) YD/T 5186-2010 《通信设备用室外机柜安装设计规定》8) YD/T 1058-2015《通信用高频开关电源系统》9) YD/T 731-2008《通信用高频开关整流器》10) QB-H-004-2009《通信用开关电源设备节能分级标准》11) YD/T 3090-2016 《通信用壁挂式电源系统》12) YD/T 983-2013《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》13) GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》14) GB/T 17626.2-2006《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》15) GB/T 4797.6-2013《环境条件分类自然环境条件尘、沙、盐雾》16) GB/T 4797.5-2017《环境条件分类自然环境条件降水和风》