摘要：以5G為代表的移動通信技術(shù)正在與AI、大數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，5G時代正在加速向我們走來，自動駕駛、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，開啟一個萬物互聯(lián)的全新時代。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關(guān)電源系統(tǒng)，此種方式占地面積大、造價成本高、安裝復(fù)雜、容量大以及壽命短。5G電源的需求量要比4G時代大，微基站將越來越密，通訊設(shè)備會向著小型化發(fā)展，對基站電源供電架構(gòu)，效率和功率密度等要求會更高，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，方便極簡快速部署，為5G網(wǎng)絡(luò)的快速覆蓋保駕護(hù)航。針對5G電源的種種要求，本公司設(shè)計了一個解決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)困難等諸多問題，已經(jīng)不能滿足未來小微站點(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)等級為IP65的自冷型室外小型一體化高頻開關(guān)電源系統(tǒng)。

二､ 設(shè)計要求

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（IP代碼）》、YD/T 944-2007 《通信電源系統(tǒng)的防雷技術(shù)要求和測試方法》、QB-H-005-2012《通信基站用磷酸鐵鋰電池》、YD/T 1058-2015《通信用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)》、YD/T 731-2008《通信用高頻開關(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℃；儲運(yùn)溫度范圍：-40℃～+60℃。

6､相對濕度范圍：工作相對濕度范圍：≤95%不結(jié)露（40℃±2℃），儲運(yùn)相對濕度范圍：≤95%不結(jié)露（40℃±2℃）。

7､設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計自然散熱，元器件布局及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，取消風(fēng)扇等機(jī)械散熱構(gòu)件。電源模塊寬度不得超過350mm，高度不得超過450mm，深度不得超過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)的輸入輸出過壓欠壓、過流以及短路保護(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)計思路

       根據(jù)設(shè)計要求，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設(shè)計方面。

1､散熱設(shè)計

       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5萬小時左右，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15萬小時以上，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

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，交流輸入L、N和接地。輸出采用兩芯式設(shè)計，正和負(fù)，避免輸入和輸出插錯。輸出插頭采用限位式設(shè)計，避免正負(fù)插反。這種防水式航空插頭可以避免來自各個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)用場景。安裝圖片如圖3所示。

圖3 安裝方式

4､DC/DC電路拓?fù)?/p>

    為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，現(xiàn)在電源產(chǎn)品越來越傾向于高效化。為了實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計，我們在設(shè)計時采用軟開關(guān)LLC諧振電路，LLC拓?fù)湟云涓咝е�稱，受到廣大電源設(shè)計工程師的青睞�？偹�周知，LLC 拓?fù)涞囊韵绿攸c(diǎn)使其廣泛的應(yīng)用于各種開關(guān)電源之中：

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

Ø  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，同時開關(guān)頻率變化相對很小。

Ø  采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

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

Ø  無需輸出電感，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

Ø  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)過測試，公司設(shè)計的5G通信設(shè)備電源效率高達(dá)96%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出設(shè)計要求。系統(tǒng)的高效為基站大大減少了能耗，經(jīng)過粗略估算，一個5000W的開關(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)營商的電費(fèi)成本。

5､輸入PFC拓?fù)?/p>

PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrecTIon”，意思是“功率因數(shù)校正”，作用是對輸入電流波形進(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)的離線開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流。這會給電源線和電力設(shè)施帶來壓力，增加電力系統(tǒng)負(fù)荷，增加無功損耗。此外，諧波還會影響連接同一電源線的其他電子設(shè)備。在開關(guān)電源系統(tǒng)里面增加有源功率因素校正可以解決這個問題，自從歐盟建立了針對電子設(shè)備的EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)和A14修正案以來，PFC越來越重要。

針對上述情況，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方案可以減少對輸入濾波器的要求，并可以防止市電電網(wǎng)對主電路的高頻瞬態(tài)沖擊。開關(guān)管V的電壓超過輸出電壓值。同時功率開關(guān)管和輸出電壓共地、控制驅(qū)動簡單。可以在國標(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)用使得多個電源模塊之間可以實(shí)現(xiàn)無限并聯(lián)，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，同時各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信、提高傳輸?shù)膶?shí)時性，有利于對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，多個控制模塊通過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)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；

l  可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制；

l  發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；

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

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

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

圖6 防水蓋

4.  結(jié)論

經(jīng)過以上詳細(xì)介紹，公司設(shè)計的5G通信設(shè)備電源完全可以滿足設(shè)計要求，甚至有些參數(shù)優(yōu)于設(shè)計要求，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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