Enpirion PowerSoC助力5G RRU发展

随着4G网络建设及5G网络研发的展开，以及互联网业务与网络流量的进一步发展，过去的2015年的通信行业画上了完美的句号。在这一年里，通信行业可谓“喜大普奔”，无论是代表国家宽带战略的4G/5G，又或者是物联网技术的发展，都给通信市场带来了新的发展机遇。

其中，RRU(Remote Radio Unit， 无线射频单元)作为无线通讯基站的核心部件，起到上行的无线信号接收和下行的无线信号发射的作用。其作为室外单位，要求运行在-40～+55℃的环境温度并且无风密闭系统，整个系统功耗一般在几百瓦等级。同时要求单板上电源变换芯片具备高效率、小尺寸、高可靠性、易于传导散热的封装形式等。最新5G 制式的RRU由于采用32或者64个天线的MIMO架构，同时系统包含有更多的数字器件，所以其单板的功率密度进一步增大，空间以及散热挑战日益增大，普通的在板电源已经很难满足其需求。Enpirion集成模块电源由于在一个QFN封装上集成了芯片和电感，正好有效地解决了5G RRU未来的挑战。

RRU系统对电源的要求

RRU系统要求单板电源具备高效率、小尺寸、高可靠性、易于传导散热的封装形式等，同时在电源性能上要求更低的纹波、更快的动态性能、更高的电源输出精度、低EMI噪声等特性。典型的RRU系统供电架构如下图，其一般采用-48V供电，通过隔离变换产生28V左右的电压给PA供电，产生5.5V的电压总线可以给整个单板的数字负载供电，按照电流等级大小分别有6A/15A/25A DC/DC的应用可能，其中6A的DC/DC的用量最大。



图1：RRU系统供电架构

1.高效率——5G RRU数字单板的功耗在150～200W，如果数字变换电路的效率提高5个百点，那么一台RRU就能节约近10W损耗。Enpirion独特的LDMOS以及flip封装技术，使得其在高频开关时也能保持高的效率。比如Enpirion目前的主流产品EN6362QI在5.5V转1V时满负载6A也能做到90%以上的效率。

2.小尺寸——运营商都要求RRU重量轻，尺寸小，便于安装。而在RRU系统上数字单板占

20%的面积，这样的数字单板上一般有10～20路电，采用集成电感的PowerSoC能使得每路DC/DC的面积减小一半，综合后，能减小10%左右的系统体积。Enpirion由于采用2-6MHz的开关频率，不仅使得芯片很小，而且将其外围电容简化为小封装陶瓷电容。



图2：6A/12A Enpirion PowerSoC布局封装示意

3.高可靠性——RRU系统都是室外无防护系统，其内部单板的运行环境非常苛刻。同时业界运行商都要求RRU系统支持10年寿命。Enpirion SoC实现了45,000多年平均无故障时间(MTBF)，多年保持<1%的FIT。

4.易于传导散热的封装形式——RRU系统是无风自冷系统，其只能通过让芯片贴RRU外壳来传导散热。这就要求电源芯片首先要有一个大的地PAD，因为只有地PAD才能直接贴RRU外壳，否则选择绝缘处理;其次是PAD面积要足够大，热阻尽可能的小。Enpirion的电源芯片封装底部都有一个非常大的GND PAD，其和芯片结的热阻一般小于5℃/W，非常适合RRU的应用场景。



图3: 典型RRU数字单板布局

5. 低纹波、更快的动态——Enpirion电源采用数兆赫兹的开关频率，非常容易做到10mV的纹波以及近200kHz环路带宽，从而能基于陶瓷电容取得非常好的动态性能。

6. 低EMI噪声——在RRU中，由于密度越来越高，很多数字时钟走线直接在电源IC下方，开关电源的噪声非常容易对这些敏感轴线产生干扰。Enpirion PowerSoC集成电感，在30M～1GHz辐射频段的噪声远远低于外置电感的DC/DC。如图4示意，DC/DC EMI主要是由输入和输出环路动态电流和电路寄生参数震荡产生，其能量和环路半径成8次方关系。集成电感能大大缩小半径，所以EMI噪声更小。





图4: DC/DC输入和输出高频电流环路示意

总结

可以看到，RRU电源系统独特要求和Enpirion产品的特点高度吻合，这几年，Altera Enpirion产品路标一直分成低压6V和高压12V两类产品，其中6V的产品主要目标市场就是RRU。目前Enpirion在全球四大通信设备制造商均有突破并在其中几家广泛使用。伴随着5G的发展，小型化是永恒不变的追求，Enpirion丰富的6V低压产品和近十年的技术积累必将进一步推动5G的发展。