De koelingsuitdagingen van 5G-basisstations
Tegen 2025 zal de communicatie-industrie 20% van de elektriciteit in de wereld's verbruiken, en in mobiele communicatienetwerken zijn basisstations grote elektriciteitsverbruikers, en ongeveer 80% van het energieverbruik komt van wijdverbreide basisstations. Meer versleutelde basisstations betekenen een hoger energieverbruik, wat een grote kostenuitdaging is voor 5G-netwerken.
Vanuit de energiestructuur betekent stroomverbruik hogere kosten en een grotere indirecte druk op milieuvervuiling.
Vanuit het oogpunt van thermisch ontwerp genereert het basisstation meer warmte en neemt de moeilijkheid van temperatuurregeling sterk toe.
Ingenieurs die in de communicatie-industrie hebben gewerkt, weten dat communicatiebasisstations meestal worden geïnstalleerd op ijzeren frames op het dak van gebouwen en op hoge plaatsen in het veld. De grootte en het gewicht zijn erg belangrijk voor het installatiegemak van de apparatuur."Toevallig" is dat stroomverbruik, volume en gewicht de belangrijkste ontwerprandvoorwaarden zijn bij thermisch ontwerp.
Uit de vroegere ontwerpgewoonten is het basisstation een typisch ingesloten apparaat voor natuurlijke warmteafvoer (buitentoepassingen vereisen strikte water- en stofdichtheid). Nadat de warmte door de componenten is afgegeven, zijn er slechts twee plaatsen:
1. Geabsorbeerd door interne apparaten - warmte wordt omgezet in interne energie, waardoor de temperatuur van het apparaat stijgt;
2. Vanwege het temperatuurverschil wordt warmte overgedragen van het object met hoge temperatuur naar het object met lage temperatuur - wanneer de temperatuur stabiliseert, is de warmteoverdrachtssnelheid=de warmteopwekkingssnelheid
Om het volume en het gewicht van producten te verminderen, is de vraag naar thermisch ontwerp van dergelijke producten geëvolueerd om de efficiëntie van de warmteoverdracht te maximaliseren en de weerstand tegen warmteoverdracht in dezelfde ruimte te verminderen. De warmteoverdrachtsweerstand wordt hier onderverdeeld in interne thermische weerstand en externe thermische weerstand.
De vermindering van de interne thermische weerstand vereist een redelijke chiplay-out, zodat de warmtebron zelf dichter bij de warmteafvoerschaal is. Dit is het gezamenlijke werk van hardware-ingenieurs en thermische ontwerpingenieurs.
Vanuit materieel oogpunt moet er een thermisch interfacemateriaal worden aangebracht tussen de chip en de behuizing. 5G-basisstations kunnen een grote verbetering van het thermische interfacemateriaal bevorderen, wat zich uit in de volgende aspecten:
1. De laagst mogelijke thermische weerstand - hogere thermische geleidbaarheid en betere bevochtigbaarheid van de interface zijn vereist;
2. Betrouwbaarheidsbasisstations worden gebruikt in complexe buitenomgevingen, over de hele wereld, met een temperatuurbereik van -40C ~ 55C, moeilijk te onderhouden na een storing - uitstekende thermische stabiliteit, anti-uitzakking en anti-kraak
3. Bruikbaarheid-5G-basisstations gebruiken een grote hoeveelheid warmteafvoer en er zijn vereisten voor automatisering van materiaalassemblage en stress die tijdens het assemblageproces wordt gegenereerd.
Het rendement van natuurlijke warmteafvoer is beperkt. Met de nadering van de powerwall wordt ook gekeken naar luchtkoeling en vloeistofkoeling van basisstations. Wanneer de temperatuur goed wordt gecontroleerd, zal dit niet alleen de betrouwbaarheid van het product beïnvloeden, maar ook het stroomverbruik van het apparaat verminderen.
Het statische stroomverbruik dat door de lekstroom wordt veroorzaakt, zal snel stijgen met de temperatuurstijging, en met de evolutie van het fabricageproces van de chip wordt de transistor steeds kleiner en de lekstroom groter en groter.
Dit betekent dat de impact van temperatuur op het stroomverbruik van de chip steeds groter zal worden. Als de temperatuur niet goed wordt geregeld, zal het stroomverbruik van het product toenemen, waardoor het verder zal opwarmen en de thermische cyclus van het product' zal verslechteren.
In de afgelopen jaren waren de elektriciteitskosten goed voor ongeveer 20% van de exploitanten' onderhoudskosten van het netwerk. Het lijdt geen twijfel dat stroomproblemen een enorme druk zullen vormen voor operators om te investeren in 5G-netwerken.
De overheid, operators, leveranciers van apparatuur en elektriciteitsnetwerkbedrijven moeten samenwerken om het stroomverbruik en de elektriciteitskosten van 5G-basisstations te verminderen.
