政策推動(dòng)下,5G基站電源的應(yīng)用現(xiàn)狀
2022-08-16 15:35:50 來(lái)源:半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng) 作者:半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng) 點(diǎn)擊:78416
前言
自2019年,5G應(yīng)用進(jìn)入商用元年,國(guó)家政策對(duì)5G基站建設(shè)的重視度不斷上升。據(jù)工業(yè)和信息化部最新統(tǒng)計(jì),截至4月末,中國(guó)已建成5G基站161.5萬(wàn)個(gè),成為全球首個(gè)基于獨(dú)立組網(wǎng)模式規(guī)模建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家。5G基站占移動(dòng)基站總數(shù)的16%。中國(guó)5G基站總量占全球60%以上,每萬(wàn)人擁有5G基站數(shù)達(dá)到10.1個(gè),比上年末提高近1倍。而配合5G基站電源產(chǎn)品也得到廣泛應(yīng)用。
5G基站電源應(yīng)用情況
5G基站電源主要由給PA供電電源和板上電源兩部分組成。 尤其是在MIMO里面由于通道數(shù)增多,PA功率提升很快。給PA供電電源主要是從-48V經(jīng)過(guò)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外在板上還有很多諸如ASIC/FPGA等功耗比較大的處理芯片,對(duì)整機(jī)的功耗也有很大的影響,同時(shí)也有給其它諸如接口等供電的電源。
一般來(lái)講,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。由此也帶來(lái)運(yùn)營(yíng)商電費(fèi)的直線上升,因此5G的功耗控制,對(duì)于運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商來(lái)說(shuō),是一個(gè)非常緊迫的問(wèn)題。詳見下表4G RRU與5G AAU所需的電源功率。
目前5G基站的部署量在高速增長(zhǎng),在可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代背景下,5G基站也會(huì)更小,更輕,更加綠色。電源方案的功耗,效率以及面積是重要影響因素,5G基站電源的主要部分都有很大的優(yōu)化空間。
安森美中國(guó)區(qū)通訊與服務(wù)器市場(chǎng)應(yīng)用工程總監(jiān)蔣懷剛認(rèn)為,針對(duì)功耗問(wèn)題,目前主要的應(yīng)對(duì)舉措包括:采用更高效工藝制程的芯片、更節(jié)能的器件材料,引進(jìn)更科學(xué)的散熱方法,以及通過(guò)更先進(jìn)的功率封裝技術(shù)進(jìn)行節(jié)能提升效率。這方面的市場(chǎng)空間仍是非常大的。
5G基站主要分為宏基站和小基站。中興通訊通信電源研發(fā)部總工熊勇認(rèn)為,小基站對(duì)于宏基站而言,更多是為了擴(kuò)容需要,導(dǎo)致電源替換效率要更高,比如要達(dá)到98%以上的變換效率。二是它的功率密度提升,在更小的體系能夠支持更多的功率輸出。
隨著數(shù)量的爆炸性增長(zhǎng),小基站為應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)帶來(lái)了功耗增加、電力引入困難、電池存儲(chǔ)能力增加等挑戰(zhàn),同時(shí)也面臨著主機(jī)問(wèn)題、空間安裝問(wèn)題、升級(jí)改造問(wèn)題等。
另一方面,隨著數(shù)量增加之后,設(shè)備種類增加,運(yùn)維費(fèi)用也會(huì)逐漸增多。類似于自動(dòng)駕駛以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等新業(yè)務(wù)對(duì)5G基站的提出可靠性和高效更高要求。熊勇認(rèn)為,對(duì)于小基站點(diǎn)會(huì)要求更小型化、輕型化,并且容易安裝、快速部署,同時(shí)能夠節(jié)省工程費(fèi)用和改善運(yùn)維方式。
5G基站電源模塊開發(fā)和設(shè)計(jì)面臨哪些新挑戰(zhàn)?
總的來(lái)說(shuō),目前5G基站電源模塊在開發(fā)和設(shè)計(jì)上主要面臨效率、功率密度、可靠性和散熱等挑戰(zhàn)。
功率密度方面,由于板上器件物料越多,功耗越來(lái)越大,而未來(lái)又有基站小型化的需求,因此電源功率密度需要更高,目前主要通過(guò)更高的開關(guān)頻率來(lái)減少外圍器件的面積。
安森美于近日推出的業(yè)界首款臨界導(dǎo)通模式(CrM)PFC控制器NCP1680,以及連續(xù)電流模式適用于圖騰柱PFC的NCP1681,可以靈活配合GaN實(shí)現(xiàn)99%效率的高功率密度5G基站電源方案。
5G基站設(shè)備站點(diǎn)部署逐漸增多,那么對(duì)于供電需求大幅增加,節(jié)能減排的需求越發(fā)明顯。因此,需要提高重載和輕載時(shí)的效率。
另外針對(duì)目前5G通訊基帶芯片70A~100A以上的大電流解決方案,安森美也提供了多項(xiàng)電源:多相+智能功率級(jí)方案。除了大幅提升系統(tǒng)效率,節(jié)省電費(fèi)的同時(shí),因?yàn)榉庋b上兼容其他主流廠商,在今天缺貨大環(huán)境的情況下也極大地為5G客戶保障了multi-source供應(yīng)隱患。
TI資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Given Ding認(rèn)為,另一大挑戰(zhàn)則是質(zhì)量管控?;緦?duì)于可靠性一直具有非常高的要求,而隨著功耗的增加,電源芯片功耗越來(lái)越大,導(dǎo)致更大的電應(yīng)力和熱應(yīng)力,給基站的可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
據(jù)了解,TI本身對(duì)可靠性相關(guān)測(cè)試具有嚴(yán)格把控,而在芯片規(guī)格上,產(chǎn)品也有相應(yīng)的升級(jí),諸如新發(fā)布的TPS543620等器件,結(jié)溫Tj從傳統(tǒng)的125C提升到150C,給予實(shí)際應(yīng)用更多的余量。在保護(hù)機(jī)制上,TI多相方案均通過(guò)多重過(guò)流保護(hù)或短路保護(hù)來(lái)提升可靠性。
從系統(tǒng)角度來(lái)說(shuō),智慧監(jiān)控要求對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行監(jiān)控上報(bào)。TPS546D24等帶有通訊接口的器件也都會(huì)上報(bào)電壓電流,同時(shí)發(fā)生故障時(shí)也會(huì)對(duì)狀態(tài)寄存器置位上報(bào),以便于排查。同時(shí),芯片在上電之前會(huì)有自檢的過(guò)程。
第三代半導(dǎo)體材料使用占比不足10%
第三代半導(dǎo)體主要是以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的新型功率器件。氮化鎵一直是基站里制造高射頻PA的半導(dǎo)體材料。同樣SiC器件Tj溫升可以達(dá)到175℃,大幅提升5G基站壽命和可靠性。
蔣懷剛指出,目前5G基站電源使用第三代半導(dǎo)體材料的占比還小于10%。主要的制約因素還是目前應(yīng)用方面特別是驅(qū)動(dòng)、PCB布局、封裝技術(shù)工藝制造以及周邊的電感變壓器,EMI濾波器等受高頻的限制等,再有則是價(jià)格和系統(tǒng)可靠性等制約因素。
價(jià)格方面,第三代半導(dǎo)體還在持續(xù)升級(jí)并且可以降低30%的損耗,但由于其成本依然高于SiMOS,所以限制了其在通信電源行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前市場(chǎng)上基于SiMOS的傳統(tǒng)通信AC/DC電源的整體效率普遍可以達(dá)到97%,但其效率的提升空間較為有限。基于第三代半導(dǎo)體材料的系統(tǒng)效率就可以達(dá)到98%以上。通信電源的終端客戶目前還是更多考慮成本和效率之間的平衡。
針對(duì)成本問(wèn)題,TI GaN創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)出了集成驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)和溫度報(bào)告的GaN FET,在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)也優(yōu)化了系統(tǒng)的整體成本。
據(jù)悉,今年五月份國(guó)內(nèi)某大廠已經(jīng)宣布量產(chǎn)了使用了GaN的3KW超功率密度(100 W/inch3)服務(wù)器電源,相信很快會(huì)延伸到更多通訊客戶電源方案的革新與換代。
可靠性方面,第三代半導(dǎo)體由于其高耐壓、高開關(guān)頻率的特性,對(duì)其可靠性提出了很大的挑戰(zhàn)。加至通信電源對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常關(guān)鍵,其設(shè)計(jì)壽命平均為10年以上,對(duì)于系統(tǒng)的可靠性有很高的要求。
針對(duì)可靠性問(wèn)題, TI GaN通過(guò)了硅鑒定標(biāo)準(zhǔn)和JEDEC,并且通過(guò)了JEP180,證明TI GaN在元件級(jí)和電源應(yīng)用中均具有可靠性。
與之配套的,安森美提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器IC,如NCP51820/NCD57252/NCP51561等, 甚至還專門開發(fā)了將驅(qū)動(dòng)器+ GaN集成一體的系列,可大大簡(jiǎn)化GaN以及SiC系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
另外,安森美也推出了業(yè)界第一款TOLL封裝的650V SiC NTBL045N065SC1。除了更小尺寸之外,TOLL封裝還提供更好的熱性能和更低的封裝電感(2 nH)。其開爾文源極(Kelvin source)配置可確保更低的門極噪聲和開關(guān)損耗,確保在具有挑戰(zhàn)性的電源設(shè)計(jì)中能顯著提高能效和功率密度,以及改善電磁干擾(EMI)和更容易進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。
目前來(lái)看,雖然第三代半導(dǎo)體材料使用占比還小,但安森美、TI等國(guó)際大廠均提供了相應(yīng)的解決方案。相信隨著下游企業(yè)對(duì)新器件應(yīng)用的熟悉,假以時(shí)日,第三代半導(dǎo)體一定會(huì)逐漸取代原有硅MOSFET。
功率器件迎來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)
整體來(lái)說(shuō),5G基站設(shè)備功耗約為4G的3~4倍,而且需要部署2~3倍4G基站數(shù)量才可以達(dá)到相同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積,未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的功耗將是4G的6~12倍。所以5G基站的高功耗、高密集布站需求就對(duì)系統(tǒng)效率、系統(tǒng)散熱和功率密度提出了挑戰(zhàn),同時(shí)這些挑戰(zhàn)也給功率器件帶來(lái)了更多的機(jī)遇。
效率方面,相較于SiMOS,第三代半導(dǎo)體GaN/SiC的開關(guān)速度更快,降低開關(guān)損耗,繼而提升系統(tǒng)效率。并且在PFC電源設(shè)計(jì)中,由于GaN沒有體二極管,其可以比SiC實(shí)現(xiàn)更高的峰值效率。TI資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Kevin Wen介紹,TI GaN內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)器,進(jìn)一步降低了硬開關(guān)損耗。目前基于TI GaN的5Kw PFC設(shè)計(jì)的峰值效率已經(jīng)可以達(dá)到99%。
功率密度方面,使用GaN可以減小PCB板上的無(wú)源器件的尺寸,縮小布板空間,從而減小系統(tǒng)尺寸和重量。TI GaN在通信AC-DC電源中可以將功率密度從小于50W/in3提升至大于100W/in3。
散熱方面,TI GaN FET封裝的熱阻抗比同類封裝產(chǎn)品低23%,可以幫助工程師使用更小的散熱器,并同時(shí)簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)。
蔣懷剛也認(rèn)為,5G基站電源要求高功率密度和高能效, 這無(wú)疑需要從傳統(tǒng)的DC-DC POL走向multiphase controller + Power stage的趨勢(shì),以及寬禁帶第三代半導(dǎo)體帶來(lái)高能效,更小體積的益處。
5G基站電源未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及企業(yè)市場(chǎng)布局
隨著5G基站的大規(guī)模普及,相應(yīng)的電源方案的需求也會(huì)不停需要提升,甚至更新?lián)Q代。 5G基站電源的發(fā)展趨勢(shì)主要向著解決方案小型化、高頻化、高可靠性以及效率提升的目標(biāo)前進(jìn)。
據(jù)悉,目前安森美已經(jīng)在第三代半導(dǎo)體方面大力布局,包括從基板襯底到最終產(chǎn)品,到封裝相關(guān)的技術(shù),增加產(chǎn)能,給客戶提供越來(lái)越多的新產(chǎn)品,以及和客戶簽訂長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議等等。
此外,TI在5G市場(chǎng)有完善的布局與規(guī)劃,合作客戶覆蓋全球通信市場(chǎng),涵蓋了通信電源的各類應(yīng)用,在給客戶提供解決方案和技術(shù)支持的同時(shí)與客戶一起規(guī)劃有競(jìng)爭(zhēng)力的通信電源產(chǎn)品路標(biāo)。各產(chǎn)品線為基站電源提供了全套的解決方案。
據(jù)透露,中興通訊5G基站電源在全國(guó)范圍內(nèi)已占據(jù)1/3左右的市場(chǎng)份額。熊勇表示:“作為5G設(shè)備供應(yīng)商,中興通訊對(duì)主設(shè)備、場(chǎng)景應(yīng)用以及客戶有比較深刻的理解。我們會(huì)跟咱們的某些產(chǎn)品進(jìn)行很好的配合,盡量實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的端到端的整體解決方案,保證5G網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行情況下,也實(shí)現(xiàn)人員利用的最大化,然后促進(jìn)人員管理的建設(shè)和高效的運(yùn)維。”
麥格米特葉俸良也表示:“其實(shí)不管是從那個(gè)方面來(lái)考慮,這都是一個(gè)大的趨勢(shì)。因?yàn)橐院蟀ㄖ悄芗译?,自?dòng)駕駛等在內(nèi)的領(lǐng)域都會(huì)用到。5G基站電源擁有非常大的市場(chǎng)前景。我們公司也在大力發(fā)展。”
他認(rèn)為,目前深圳市已經(jīng)推出自動(dòng)駕駛公交和滴滴出租車的試點(diǎn),市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入試運(yùn)營(yíng)階段。后續(xù)隨著5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成熟,未來(lái)5G基站應(yīng)用一定是大力發(fā)展的方向。
結(jié)語(yǔ)
隨著政策和市場(chǎng)應(yīng)用的改善,5G基站數(shù)量正呈爆發(fā)式增長(zhǎng),5G基站電源市場(chǎng)迎來(lái)廣闊空間。隨著5G基站小型化、輕型化發(fā)展,5G基站電源正面臨著更高功率密度、更緊湊的設(shè)計(jì)和更高能效等要求,同時(shí)運(yùn)維費(fèi)用也隨著增加。這也為5G基站電源應(yīng)用的進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。受制于價(jià)格方面的影響,第三代半導(dǎo)體材料的使用占比很小,但未來(lái)也會(huì)是應(yīng)用趨勢(shì)。我們也相信,隨著5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的逐步成熟,自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場(chǎng)景也將迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇。
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從5G基站到智能工廠,連接器技術(shù)正迎來(lái)新一輪革新!莫仕、優(yōu)群科技、錦凌電子推出多款連接器,三大新品如何重塑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?
6月26日至28日,每年一度的世界移動(dòng)大會(huì)(MWC)上海如約而至,今年MWC以“未來(lái)先行”為主題,聚焦超越5G、人工智能經(jīng)濟(jì)和數(shù)智制造三大技術(shù)子主題。
截至今年8月末,5G基站總數(shù)已超過(guò)300萬(wàn)個(gè)。盡管目前我國(guó)正在大力推廣5G,但是高耗能的難題阻礙了5G基站建設(shè)的腳步。5G基站低耗能究竟該如何實(shí)現(xiàn)?
隨著全球“碳中和”的深入發(fā)展,節(jié)能低碳愈加成為各個(gè)行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。傳統(tǒng)5G基站用電需求大、消耗能源多的問(wèn)題成為制約其發(fā)展的重要因素,光伏+5G基站開始受到關(guān)注,在兩者完美搭配的低碳未來(lái),連接器將迎來(lái)怎樣的發(fā)展機(jī)遇?
7月19日上午,國(guó)新辦舉行2023年上半年工業(yè)和信息化發(fā)展情況新聞發(fā)布會(huì)。
5G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展加速擴(kuò)大了5G基站建設(shè)的規(guī)模,為5G基站電源市場(chǎng)預(yù)備了廣闊的市場(chǎng)空間。目前來(lái)說(shuō),5G基站電源市場(chǎng)的現(xiàn)狀如何?未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)怎么走?這又給半導(dǎo)體廠商帶來(lái)了哪些市場(chǎng)機(jī)遇?
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