Enpirion PowerSoC助力5G RRU發(fā)展

　　隨著4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及5G網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的展開(kāi)，以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)流量的進(jìn)一步發(fā)展，過(guò)去的2015年的通信行業(yè)畫(huà)上了完美的句號(hào)。在這一年里，通信行業(yè)可謂“喜大普奔”，無(wú)論是代表國(guó)家寬帶戰(zhàn)略的4G/5G，又或者是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，都給通信市場(chǎng)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

　　其中，RRU(Remote Radio Unit， 無(wú)線射頻單元)作為無(wú)線通訊基站的核心部件，起到上行的無(wú)線信號(hào)接收和下行的無(wú)線信號(hào)發(fā)射的作用。其作為室外單位，要求運(yùn)行在-40～+55℃的環(huán)境溫度并且無(wú)風(fēng)密閉系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)功耗一般在幾百瓦等級(jí)。同時(shí)要求單板上電源變換芯片具備高效率、小尺寸、高可靠性、易于傳導(dǎo)散熱的封裝形式等。最新5G 制式的RRU由于采用32或者64個(gè)天線的MIMO架構(gòu)，同時(shí)系統(tǒng)包含有更多的數(shù)字器件，所以其單板的功率密度進(jìn)一步增大，空間以及散熱挑戰(zhàn)日益增大，普通的在板電源已經(jīng)很難滿足其需求。Enpirion集成模塊電源由于在一個(gè)QFN封裝上集成了芯片和電感，正好有效地解決了5G RRU未來(lái)的挑戰(zhàn)。

　　RRU系統(tǒng)對(duì)電源的要求

　　RRU系統(tǒng)要求單板電源具備高效率、小尺寸、高可靠性、易于傳導(dǎo)散熱的封裝形式等，同時(shí)在電源性能上要求更低的紋波、更快的動(dòng)態(tài)性能、更高的電源輸出精度、低EMI噪聲等特性。典型的RRU系統(tǒng)供電架構(gòu)如下圖，其一般采用-48V供電，通過(guò)隔離變換產(chǎn)生28V左右的電壓給PA供電，產(chǎn)生5.5V的電壓總線可以給整個(gè)單板的數(shù)字負(fù)載供電，按照電流等級(jí)大小分別有6A/15A/25A DC/DC的應(yīng)用可能，其中6A的DC/DC的用量最大。

圖1：RRU系統(tǒng)供電架構(gòu)

　　1.高效率——5G RRU數(shù)字單板的功耗在150～200W，如果數(shù)字變換電路的效率提高5個(gè)百

　　點(diǎn)，那么一臺(tái)RRU就能節(jié)約近10W損耗。Enpirion獨(dú)特的LDMOS以及flip封裝技術(shù)，使得其在高頻開(kāi)關(guān)時(shí)也能保持高的效率。比如Enpirion目前的主流產(chǎn)品EN6362QI在5.5V轉(zhuǎn)1V時(shí)滿負(fù)載6A也能做到90%以上的效率。

　　2.小尺寸——運(yùn)營(yíng)商都要求RRU重量輕，尺寸小，便于安裝。而在RRU系統(tǒng)上數(shù)字單板占

　　20%的面積，這樣的數(shù)字單板上一般有10～20路電，采用集成電感的PowerSoC能使得每路DC/DC的面積減小一半，綜合后，能減小10%左右的系統(tǒng)體積。Enpirion由于采用2-6MHz的開(kāi)關(guān)頻率，不僅使得芯片很小，而且將其外圍電容簡(jiǎn)化為小封裝陶瓷電容。

圖2：6A/12A Enpirion PowerSoC布局封裝示意

　　3.高可靠性——RRU系統(tǒng)都是室外無(wú)防護(hù)系統(tǒng)，其內(nèi)部單板的運(yùn)行環(huán)境非?？量獭Ｍ瑫r(shí)業(yè)界運(yùn)行商都要求RRU系統(tǒng)支持10年壽命。Enpirion SoC實(shí)現(xiàn)了45,000多年平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)，多年保持<1%的FIT。

　　4.易于傳導(dǎo)散熱的封裝形式——RRU系統(tǒng)是無(wú)風(fēng)自冷系統(tǒng)，其只能通過(guò)讓芯片貼RRU外殼來(lái)傳導(dǎo)散熱。這就要求電源芯片首先要有一個(gè)大的地PAD，因?yàn)橹挥械豍AD才能直接貼RRU外殼，否則選擇絕緣處理;其次是PAD面積要足夠大，熱阻盡可能的小。Enpirion的電源芯片封裝底部都有一個(gè)非常大的GND PAD，其和芯片結(jié)的熱阻一般小于5℃/W，非常適合RRU的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　圖3: 典型RRU數(shù)字單板布局

　　5. 低紋波、更快的動(dòng)態(tài)——Enpirion電源采用數(shù)兆赫茲的開(kāi)關(guān)頻率，非常容易做到10mV的紋波以及近200kHz環(huán)路帶寬，從而能基于陶瓷電容取得非常好的動(dòng)態(tài)性能。

　　6. 低EMI噪聲——在RRU中，由于密度越來(lái)越高，很多數(shù)字時(shí)鐘走線直接在電源IC下方，開(kāi)關(guān)電源的噪聲非常容易對(duì)這些敏感軸線產(chǎn)生干擾。Enpirion PowerSoC集成電感，在30M～1GHz輻射頻段的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外置電感的DC/DC。如圖4示意，DC/DC EMI主要是由輸入和輸出環(huán)路動(dòng)態(tài)電流和電路寄生參數(shù)震蕩產(chǎn)生，其能量和環(huán)路半徑成8次方關(guān)系。集成電感能大大縮小半徑，所以EMI噪聲更小。

　　圖4: DC/DC輸入和輸出高頻電流環(huán)路示意

　　總結(jié)

　　可以看到，RRU電源系統(tǒng)獨(dú)特要求和Enpirion產(chǎn)品的特點(diǎn)高度吻合，這幾年，Altera Enpirion產(chǎn)品路標(biāo)一直分成低壓6V和高壓12V兩類(lèi)產(chǎn)品，其中6V的產(chǎn)品主要目標(biāo)市場(chǎng)就是RRU。目前Enpirion在全球四大通信設(shè)備制造商均有突破并在其中幾家廣泛使用。伴隨著5G的發(fā)展，小型化是永恒不變的追求，Enpirion豐富的6V低壓產(chǎn)品和近十年的技術(shù)積累必將進(jìn)一步推動(dòng)5G的發(fā)展。