5G基站的建設(shè),給各行各業(yè)在技術(shù)研發(fā)上都提出了新的課題,近日,英飛凌工程師就5G通訊電源在設(shè)計過程中遇到的難題,提出了英飛凌解決方案。
5G通訊的建設(shè)為通訊電源廠商帶來了商機,同時也讓設(shè)計者面臨更多的挑戰(zhàn),特別是在散熱方面,磁性元件廠商、半導(dǎo)體廠商都在竭力解決這些難題。
近日,英飛凌科技(中國)工程師宋清亮就這些難題提出了他的見解和英飛凌解決方案。
宋清亮認為,由于在很長一段時間內(nèi)5G的建設(shè)還需要兼容(保留)現(xiàn)有3G和4G通訊,因此多數(shù)采用現(xiàn)有基地臺和局端(CO)進行改造和升級的方式,這意味著通訊電源需要同時為3G/4G和5G通訊設(shè)備供電,對通訊電源的輸出功率、功率密度、可靠性等提出了新的需求與挑戰(zhàn)。
相較于5G通訊電源的輸出功率,3G/4G通訊制式更大,這對于通訊電源的散熱設(shè)計帶來更巨大的挑戰(zhàn)。
作為通訊系統(tǒng)的心臟,通訊電源的可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性。為了降低維護成本,提高電源的可靠性是5G通訊電源的主要要求之一。
對于開關(guān)電源來說,能否輸出更大功率,決定因素在于功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能否被耗散掉,能否保持元件的溫度穩(wěn)定處于合適值。
散熱取決于兩個因素,一是產(chǎn)生的損耗大小,如果損耗小,那么容易被耗散掉,反之亦然;二是電源的散熱能力,這取決于散熱片,風扇(強制風冷)和熱路設(shè)計。
大功率輸出電源設(shè)計必然要求電源的轉(zhuǎn)換效率更高,以解決散熱問題。
一方面需要選擇合適的功率元件,包括功率半導(dǎo)體的選擇和磁性元件的設(shè)計,特別是對磁芯材料的選擇,平衡不同頻率或者負載下的損耗,使其在輕載下的損耗盡量最小化。
另一方面透過電路拓撲的選擇實現(xiàn)輕重載下效率曲線的平衡。目前比較常用的方式是采用多相交錯并聯(lián)拓撲。例如在PFC級和DC/DC級分別采用interleave方式。該方案可以有效地提高輕載效率,也有利于PCB設(shè)計、散熱設(shè)計和提高電源可靠性。
兩相交錯并聯(lián)PFC電路
兩相交錯并聯(lián)LLC電路
此外,高功率密度開關(guān)電源也可以有效減小應(yīng)用系統(tǒng)的尺寸、空間和重量,這對于通訊系統(tǒng)尤為重要。
一般認為提高開關(guān)電源頻率可以提高功率密度,因為理論上縮小了磁性元件和電容等被動元件的尺寸。
但是提高開關(guān)頻率會帶來基于硅材料的功率半導(dǎo)體元件損耗明顯增大,且磁性元件的磁損也會顯著增加,這可能帶來散熱片和風扇尺寸的增加以及磁性元件散熱的困難。
因此,提高開關(guān)頻率對于采用傳統(tǒng)硅材料作為功率開關(guān)的通訊電源帶來功率密度提升是很有限的。
在解決散熱問題上,英飛凌推出表面散熱的功率元件封裝,例如DDPAK、QDPAK等等。采用DDPAK封裝的功率元件焊接到子板。
采用DDPAK封裝的功率元件子板
而采用該方案設(shè)計的1.6KW鈦金版服務(wù)器電源展示板,其功率密度高達到44W/in^3。
1.6KW高密鈦金版服務(wù)器電源
對于提高工作頻率后,解決磁性元件損耗增加的措施,比較實用的方式是將傳統(tǒng)的一個變壓器分為兩個或多個,既利于變壓器的散熱,又利于變壓器的繞組,以降低變壓器的成本。
多個變壓器透過繞組的串并聯(lián)可以實現(xiàn)變壓器電流和損耗的均衡,甚至透過磁整合技術(shù)來抵消部份磁損,以降低變壓器的損耗。
從自然散熱方案角度出發(fā),設(shè)計一個自然散熱方式的理想通訊電源,首先要考慮的是如何讓主要發(fā)熱元件透過外殼進行散熱,從而將溫度控制在規(guī)格范圍內(nèi)。
開關(guān)電源的兩個主要發(fā)熱元件是功率半導(dǎo)體和磁性元件。
對于磁性元件元件的散熱,以主功率變換變壓器為例,除了可以采用將一個變壓器分為兩個甚至更多外,還可以改變變壓器在PCB上的安裝方式,例如將傳統(tǒng)焊接在PCB上面的方式改變?yōu)镻CB開窗,將變壓器下沉,這樣變壓器可以透過底面與機殼接觸來散熱,甚至透過上下表面同時與上下機殼接觸來散熱。
傳統(tǒng)變壓器安裝方式
自然散熱條件下建議的變壓器安裝方式
5G通訊的建設(shè)為通訊電源廠商帶來了巨大商機,也存在諸多難關(guān)等待發(fā)現(xiàn)和攻克,磁性元件、半導(dǎo)體、電源廠商都在攻營拔寨,密切配合聯(lián)動是極有效的途徑之一,在英飛凌的設(shè)計方案中,半導(dǎo)體、磁性元件、電源等設(shè)計細節(jié),都關(guān)乎5G通訊電源的可靠性,也期待有更多磁性元件廠商參與其中,在分享5G通訊電源市場商機的同時,竭力投入研發(fā)力量,協(xié)助電源廠商解決行業(yè)難題,也為企業(yè)自身參與這一市場贏得更多話語權(quán)。
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