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。本文将带大家一起学习下这些解决方案。

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。

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：

1、多运营商共享建站;

2、室外柜或室外刀片站增加;

3、升压拉远供电;

4、锂进铅退，锂电代替铅酸电池备电;

5、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。

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：

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：

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：

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：

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：

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。

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。

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