摘要：以5G為代表的移動(dòng)通信技術(shù)正在與AI、大數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，5G時(shí)代正在加速向我們走來(lái)，自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)……一切都昭示著，5G將重塑我們生活的方方面面，開(kāi)啟一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的全新時(shí)代。傳統(tǒng)的通信設(shè)備供電方式采用戶外壁掛式或者落地式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，此種方式占地面積大、造價(jià)成本高、安裝復(fù)雜、容量大以及壽命短。5G電源的需求量要比4G時(shí)代大，微基站將越來(lái)越密，通訊設(shè)備會(huì)向著小型化發(fā)展，對(duì)基站電源供電架構(gòu)，效率和功率密度等要求會(huì)更高，所以5G電源要有低成本、高效率、免占地和少工勘的配套方案，方便極簡(jiǎn)快速部署，為5G網(wǎng)絡(luò)的快速覆蓋保駕護(hù)航。針對(duì)5G電源的種種要求，本公司設(shè)計(jì)了一個(gè)解決5G設(shè)備供電的全新方案。

 關(guān)鍵詞：5G電源 微型基站 高頻開(kāi)關(guān)電源

一?引言

       當(dāng)前傳統(tǒng)的室外站供電方案，普遍存在容量偏大，征地、安裝維護(hù)困難等諸多問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足未來(lái)小微站點(diǎn)的需求，尤其是基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的應(yīng)用必須要符合5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)和微基站的應(yīng)用特征。5G 的小基地站可能建置于任何地點(diǎn)，像是極冷、極熱的地方和陰暗潮濕、布滿灰塵的小角落，抑或是完全不具遮蔽條件的地點(diǎn)。因此5G 的電源供應(yīng)器必須具有一定的防水、防塵及耐高溫等特性。由于小基地站的布建密度高，因此對(duì)設(shè)備的要求也高，設(shè)備的體積是否夠小、夠輕薄也是一大考驗(yàn)。針對(duì)這些要求，深圳索瑞德電子有限公司研發(fā)了一款防護(hù)等級(jí)為IP65的自冷型室外小型一體化高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。

二? 設(shè)計(jì)要求

1?該一體化電源設(shè)備用于室外鐵塔燈桿、室內(nèi)弱電井、微站等環(huán)境惡劣場(chǎng)景，為通信網(wǎng)絡(luò)末端的通信設(shè)備如RRU等設(shè)備供電。能夠滿足壁掛、抱桿、角鋼塔等應(yīng)用場(chǎng)景，支持旗裝、平裝等安裝方式。

2?一體化電源產(chǎn)品為模塊拼裝式產(chǎn)品類型，模塊拼裝式指將48V整流模塊、DC280V升壓模塊（可選）、蓄電池模塊拼裝成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)至少2個(gè)電源模塊及電池模塊的并聯(lián)，模塊數(shù)量可根據(jù)容量、備電需求、負(fù)載情況擴(kuò)展。

3?設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)，但不限于以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 4208-2017 《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》、YD/T 944-2007 《通信電源系統(tǒng)的防雷技術(shù)要求和測(cè)試方法》、QB-H-005-2012《通信基站用磷酸鐵鋰電池》、YD/T 1058-2015《通信用高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)》、YD/T 731-2008《通信用高頻開(kāi)關(guān)整流器》、GB/T 4797.6-2013《環(huán)境條件分類 自然環(huán)境條件 塵、沙、鹽霧》等

4?電源設(shè)備應(yīng)適用于日曬、雨淋、滴水、風(fēng)吹、冰凍、灰塵、潮濕的室外環(huán)境，并能正常運(yùn)行。

5?溫度范圍：工作溫度范圍：-40℃～+55℃；儲(chǔ)運(yùn)溫度范圍：-40℃～+60℃。

6?相對(duì)濕度范圍：工作相對(duì)濕度范圍：≤95%不結(jié)露（40℃±2℃），儲(chǔ)運(yùn)相對(duì)濕度范圍：≤95%不結(jié)露（40℃±2℃）。

7?設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然散熱，元器件布局及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，取消風(fēng)扇等機(jī)械散熱構(gòu)件。電源模塊寬度不得超過(guò)350mm，高度不得超過(guò)450mm，深度不得超過(guò)100mm。

8?輸入電壓額定值：220Vac，單相三線制。

9?輸出電壓范圍：-43Vdc～-58Vdc，輸出最大功率3000W。

10?系統(tǒng)具備常規(guī)的輸入輸出過(guò)壓欠壓、過(guò)流以及短路保護(hù)等功能。

11?輸出具有三路以上的接口，方便擴(kuò)容，具有防反插功能等。

12?整流模塊的效率要達(dá)到94%以上

三、設(shè)計(jì)思路

       根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由于我司研發(fā)的5G電源產(chǎn)品功能非常強(qiáng)大，所以在這里主要介紹以下幾個(gè)設(shè)計(jì)方面。

1?散熱設(shè)計(jì)

       5G設(shè)備電源采用壓鑄式鋁合金殼散熱，完全實(shí)現(xiàn)自冷的方式，如圖1所示。采用鋁合金是因?yàn)殇X的高效導(dǎo)熱性，是保持杰出散熱功能的決定因素和熱能轉(zhuǎn)換的最理想介質(zhì)。它的特色是：用時(shí)少，效率高。輕盈機(jī)靈，便于加工是一大特色。平等標(biāo)準(zhǔn)的散熱器，鋁的分量是鋼制散熱器的1/3。傳統(tǒng)風(fēng)冷電源的風(fēng)扇壽命一般是5萬(wàn)小時(shí)左右，采用鋁殼式散熱可以克服傳統(tǒng)風(fēng)冷模塊電源的風(fēng)扇壽命故障，設(shè)備的使用壽命可以達(dá)到15萬(wàn)小時(shí)以上，且不需要經(jīng)常維護(hù)。鋁殼上下表面做成柵格狀，加大散熱面積。

圖1 鋁合金壓鑄式外殼

2? 防反插設(shè)計(jì)

5G設(shè)備電源輸入輸出電源接口采用具有防誤差、防反插和防水的不銹鋼航空插頭插座，如圖2所示。

圖2 輸入輸出電源接口

        輸入采用三芯式設(shè)計(jì)，交流輸入L、N和接地。輸出采用兩芯式設(shè)計(jì)，正和負(fù)，避免輸入和輸出插錯(cuò)。輸出插頭采用限位式設(shè)計(jì)，避免正負(fù)插反。這種防水式航空插頭可以避免來(lái)自各個(gè)方向由噴嘴射出的水侵入電器而造成損壞，具有快速連接和分離，耐環(huán)境好、可靠性高等特點(diǎn)。

航空插頭以壓接方式安裝，這種安裝方式具有速度快、投資少，效率高、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。用在帶有電線為主的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)大批量快速生產(chǎn)，而且同時(shí)還能保證氣密連接。

3?安裝方式

5G電源可以實(shí)現(xiàn)旗裝、平裝等安裝方式，可以滿足壁掛、抱桿、角鋼塔等應(yīng)用場(chǎng)景。安裝圖片如圖3所示。

圖3 安裝方式

4?DC/DC電路拓?fù)?o:p>

    為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，現(xiàn)在電源產(chǎn)品越來(lái)越傾向于高效化。為了實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)采用軟開(kāi)關(guān)LLC諧振電路，LLC拓?fù)湟云涓咝еQ，受到廣大電源設(shè)計(jì)工程師的青睞?？偹苤?，LLC 拓?fù)涞囊韵绿攸c(diǎn)使其廣泛的應(yīng)用于各種開(kāi)關(guān)電源之中：

?  LLC 轉(zhuǎn)換器可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

?  能夠在輸入電壓和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率變化相對(duì)很小。

?  采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

?  減小次級(jí)同步整流MOSFET的電壓應(yīng)力，可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。

?  無(wú)需輸出電感，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

?  采用更低電壓的同步整流MOSFET, 可以進(jìn)一步提升效率。

LLC電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖4所示：

圖4 基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

       經(jīng)過(guò)測(cè)試，公司設(shè)計(jì)的5G通信設(shè)備電源效率高達(dá)96%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的高效為基站大大減少了能耗，經(jīng)過(guò)粗略估算，一個(gè)5000W的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，一年可以節(jié)省電費(fèi)大概1000元，縮減了客戶或者運(yùn)營(yíng)商的電費(fèi)成本。

5?輸入PFC拓?fù)?o:p>

PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrecTIon”，意思是“功率因數(shù)校正”，作用是對(duì)輸入電流波形進(jìn)行控制，使其同步輸入電壓波形。功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。傳統(tǒng)的離線開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流。這會(huì)給電源線和電力設(shè)施帶來(lái)壓力，增加電力系統(tǒng)負(fù)荷，增加無(wú)功損耗。此外，諧波還會(huì)影響連接同一電源線的其他電子設(shè)備。在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)里面增加有源功率因素校正可以解決這個(gè)問(wèn)題，自從歐盟建立了針對(duì)電子設(shè)備的EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)和A14修正案以來(lái)，PFC越來(lái)越重要。

針對(duì)上述情況，在5G設(shè)備電源上公司采用有源式boost升壓電路實(shí)現(xiàn)PFC。采用PFC方案可以減少對(duì)輸入濾波器的要求，并可以防止市電電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊。開(kāi)關(guān)管V的電壓超過(guò)輸出電壓值。同時(shí)功率開(kāi)關(guān)管和輸出電壓共地、控制驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單?？梢栽趪?guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輸入電壓和頻率的變化范圍內(nèi)保持正常工作，正常工作時(shí)功率因素達(dá)到0.99以上，電路原理圖如圖5所示。

圖5 PFC電路原理圖

6?通訊方式

    5G設(shè)備電源上留有傳統(tǒng)的RS232接口和RS485接口，另外還留有強(qiáng)大的CAN總線接口。CAN總線的應(yīng)用使得多個(gè)電源模塊之間可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限并聯(lián)，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信、提高傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，有利于對(duì)所有電源模塊做均流處理。此外，采用CAN總線還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

l  具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；

l  采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

l  具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；

l  可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；

l  可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；

l  發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

l  節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；

l  報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。

  5G通信電源通訊接口采用防水式設(shè)計(jì)，不使用時(shí)采用防水蓋蓋住，如圖6所示，可以有效防止各個(gè)方向的噴水，防水等級(jí)達(dá)到IP6X。

圖6 防水蓋

4.  結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上詳細(xì)介紹，公司設(shè)計(jì)的5G通信設(shè)備電源完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，甚至有些參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，因此是一款性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠的電源產(chǎn)品。

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