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应对国产化需求的5G电源用隔离IC一站式解决方案

新一代的移动通信网——5G网络已成为广大社会群众的关注焦点。从目前全球频谱分布来看,要想获得更多的带宽,5G频段高频化成为必然趋势,而高频化所带来的覆盖区域变小将导致5G时代全球站点数量倍增,站点能耗翻倍,电源功率密度提升成为5G电源的迫切需求。日前,在由大比特资讯主办的“2020(深圳)5G基站电源技术创新研讨会”上,纳芯微市场总监张方文以《应对国产化需求的5G电源用隔离IC一站式解决方案》的主题演讲,详细介绍了纳芯微电子针对5G电源应用中的通信电源、二次电源、电源砖等隔离产品解决方案。本文将带大家一起了解下这些解决方案。

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由于5G的多天线阵列技术,发射接受通道从原来最多8路变成了32或64路,为减小馈线损耗,5G基站将RRU和天线集成为一起成为AAU,散热从原来的双面散热变成了单面,而功耗却显著增加。因此,电源功率密度和效率提升迫在眉睫。5G电源通常包含站点电源(AC-DC)和基站电源(AAU或BBU内部的二次电源部分DC-DC)两个部分。

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站点电源(AC-DC)电源解决方案


5G站点因高频化而导致的密度增大,将会给站址获取带来困难,而5G设备的功率又偏大,导致拉远供电的线损很大。

综上这些问题催生了5G站点电源的新特点:


  • 多运营商共享建站

  • 室外柜或室外刀片站增加

  • 升压拉远供电

  • 锂进铅退,锂电代替铅酸电池备电

  • 站点控制智能化:温控、精准备电等


在有存量站点的地方,采取多运营商共享站点的方式,站点统一交给铁塔公司管理,一个站点给多个运营商设备供电,对于拉远的5G设备,采取升压供电的方式;而站址难获取的地方,则通过室外柜或室外刀片电源就近供电。设备功耗激增导致备电需求也增加,采用功率密度更高的锂电池备电可以减小占地面积。配合智能温控降低站点功耗,同时精准智能的控制共享站点2/3/4/5G设备的下电顺序,选择最合理的方式备电,可以降低备电成本。

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电源部分:

室内或室外柜中的嵌入式电源都是PSU形式,通常单个PSU的功率为3KW或4KW,根据负载需求按N+1冗余配置。PSU的典型架构如下图所示:

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AC-DC电源通常需要两级拓扑:PFC+LLC,两级拓扑分别需要闭环控制,所以通常会采用两颗主控芯片,原边的主控负责PFC电路,副边主控负责LLC电路,两颗主控芯片之间可以通过标准数字隔离器NSi81xx实现信息交互;LLC的驱动通过隔离驱动NSi6602DW或者数字隔离器NSi8120+驱动器的方式实现;原边PFC电路一般选择交错无桥PFC电路,驱动通过高压半桥驱动或者单管隔离驱动NSi6601DW+单管非隔离驱动实现;PSU对外接口一般选择CAN通信,可以通过2通道数字隔离NSi8121N0+CAN收发器或隔离CAN芯片NSi1050实现。


刀片电源的主拓扑架构和PSU一样,只不过增加了一些485的对外通信口和对外接口,如电池接口。另外刀片电源因为是自然散热,内部板温相对较高,不会用光耦这类温度范围窄的器件,隔离都要用数字隔离器实现。


备电部分:

由于锂电池在严重过充电状态下存在爆炸的危险,因此,必须为锂电池配备一套具有针对性的锂电池管理系统BMS从而对电池组进行有效的监控、保护、能量均衡和故障警报,进而提高整个锂电池工作效率和使用寿命。锂电BMS系统架构如下图所示:

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电芯包采样部分,大多数厂家会选择成熟的AFE芯片来做电芯电压采样和均衡,基站备电的电芯数一般为16串,所以需要两颗 AFE芯片,其中一颗AFE芯片需要通过NSi8100N来连接,如下图所示:

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也有一些BMS厂家觉得MCU自带的ADC精度不高,用外置ADC来做电芯电压采样和外置电路的电压均衡控制,ADC通过SPI信号与主控芯片连接,多于一颗的ADC通过标准数字隔离器NSi81xx来隔离SPI信号,电压均衡控制可以用I2C通过NCA9555来控制均衡电路开关。

基站电源解决方案


为了更清晰的了解基站二次电源架构,首先了解下AAU和RRU在内部架构上的差异,如下图:

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从两张供电架构图的对比可以看出,AAU由于功放通道数增加,功放功率和TRX的功率需求都有增加。为保证端到端转换效率最高,RRU的TRX功率较小,所以一般选择5.4V母线,而AAU的TRX功率较大,为减小线损,会选择12V母线。正是由于以上差异,基站内部电源结构也发生了变化,如下图所示:

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可见,5G的基站电源会比4G更复杂,包含两个独立的DC-DC,给功放供电的DC-DC由于要满足功放调压需求且一般需要隔离,所以会采用两级拓扑,一级BUCK或BUCKBOOST实现调压,一级开环全桥实现隔离。而给TRX供电的DC-DC一般采用闭环全桥的一级拓扑,直接实现12V输出,这跟同样需要12V输出的BBU里面的电源是同样的拓扑。

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给功放供电的DC-DC电路拓扑架构如上图所示,电路的主控一般采用数字控制芯片,由于全桥是开环的,所以第一级电路的环路控制可以采最后的输出电压,这样主控芯片可以将放在副边,方便与上位机通信,以满足功放调压等需求。原边部分电路的驱动控制通过隔离驱动或者数字隔离器+驱动器的方式实现,由于基站电源对体积要求很高,一般会选用LGA封装的隔离驱动NSi6602LA,而BBU这种体积要求不高的,则会选用两通道数字隔离器NSi8120+驱动器的方式,以方便灵活布局。此外,基站有上报输入功率的需求,一般采用独立的输入功率检测芯片检测之后,经I2C数字隔离器NSi8100NH上报给上位机。对于BBU这种插板式架构,还需要I2C热插拔芯片NCA9511来保证板和板之间的信号传输质量。


样品申请与产品咨询:


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