5G基站電源設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)及優(yōu)化策略

這兩年最熱門的技術(shù)莫過于5G和人工智能，根據(jù)工信部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止到6月6日，全國已建成的5G基站超過25萬個，有130款5G手機(jī)獲得入網(wǎng)銷售許可，5G終端連接數(shù)超過3600萬，到7月份時，5G終端連接數(shù)超過了6600萬。

在基站建設(shè)方面，三大運營商計劃今年涉及5G業(yè)務(wù)的總投資額高達(dá)1803億元人民幣，預(yù)計年底全國建設(shè)開通70萬5G基站，2021年達(dá)到100萬以上。

可是最近的一篇報道，引起了人們對5G基站能源消耗的關(guān)注。新聞的內(nèi)容是為了減少能耗，節(jié)約電費，中國聯(lián)通在洛陽某地的5G基站在每天21點到次日9點就將關(guān)閉。為什么5G基站的能耗會如此高呢？

5G基站能耗高的原因

目前5G基站能耗主要集中在基站、傳輸、電源和機(jī)房空調(diào)四部分，而其中基站的電費支出占整體網(wǎng)絡(luò)能耗的80%以上。而在基站能耗中，負(fù)責(zé)處理信號編碼的基帶單元（BBU）的功耗相對較小，射頻單元（RRU/AAU）的功耗相對較大。

根據(jù)去年華為發(fā)布的《5G電源白皮書》顯示，從4G演進(jìn)到5G，雖然單位流量的功耗大幅降低了，但是5G總功耗相比4G還是大幅增加的。預(yù)計在5G時代，64T64R AAU最大功耗將會達(dá)到1000~1400W，BBU最大功耗將達(dá)到2000W左右。

圖1：5G基站能耗變化。

在5G時代，一站多頻將會是典型配置，預(yù)測5頻以上站點占比將從2016年3%增加到2023年45%。一站多頻將導(dǎo)致整站最大功耗超過10kW，10頻及10頻以上站點功耗超過20kW，多運營商共享場景下，功耗還將翻倍。

英飛凌科技（中國）有限公司的電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場部經(jīng)理程文濤在<電子發(fā)燒友網(wǎng)>舉辦的《5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)對電源設(shè)計的挑戰(zhàn)》直播中表示，5G基站相比4G基站功耗提升了3倍以上，加上由于覆蓋范圍的衰減，5G基站的需求量成倍增加，因此，對于運營商而言，5G基站的高功耗成為了制約5G建網(wǎng)的首要原因。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)走向低/高頻混合組網(wǎng)，為滿足網(wǎng)絡(luò)容量增長的業(yè)務(wù)需求，大量的末梢站點將會被部署，網(wǎng)絡(luò)站點數(shù)量將會出現(xiàn)大幅增加，整個網(wǎng)絡(luò)的功耗將會呈倍數(shù)增長。

5G時代電源設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

基站電源主要是分成三級的，一般來說基站的供電電源是220V的市電。第一級是將220V轉(zhuǎn)換到-48V；第二級一般是使用模塊電源，將-48V電壓轉(zhuǎn)換成給PA供電的48V，或者28V電壓；第三級是板級電源，從12V轉(zhuǎn)換到給各個芯片、模擬電路、數(shù)字電路等所需的電壓。

圖2：通信系統(tǒng)供電鏈。

由于5G基站能耗的增加，電費成為了運營商不可忽視的一個因素，運營5G基站的運營商會越來越關(guān)注基站的耗電量。因此，如何幫助運營商節(jié)省電費變成了一個重要的話題。那么要節(jié)省電費，電源的設(shè)計就是一個繞不開的話題。

程文濤認(rèn)為，5G時代的到來，對電源設(shè)計的影響是非常明顯的。他主要談到了三個方面的影響：

首先是對新材料、新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及高性能器件的使用將會更多。“如果想要提升效率，節(jié)省電費，那么使用的元器件就不可能跟3G/4G時代那樣對成本要求那么嚴(yán)格，必然需要用到性能好的器件、好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、好的材料?！背涛臐谥辈ブ斜硎?。

其次，是總線電壓將會提升。由于耗電量增加了，電源設(shè)計也發(fā)生了一些變化，比如之前都是使用48V電壓的通信總線不得不提升到72V，這樣就會導(dǎo)致開關(guān)電源（DCDC）的輸出端電壓發(fā)生變化。

還有可靠性問題也更受到關(guān)注。由于基站有個很重要的特點就是投入運營之后，基本上就是無人值守了，因此不論是設(shè)備供應(yīng)商，還是運營商對可維修性、可遠(yuǎn)程監(jiān)控性、以及低故障率的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他行業(yè)。

5G宏基站電源設(shè)計策略

對于宏基站，在一次電源和二次電源的優(yōu)化方面，英飛凌的程文濤給出了一些建議。“在一次電源方面，我們看到一個很明顯的趨勢是要求高效率和高功率密度。現(xiàn)在電源的效率要達(dá)到97%，甚至98%的工作效率?！?br />
要達(dá)到這個效率目標(biāo)，程文濤認(rèn)為一是需要用到新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，他舉例說，ACDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會從有橋PFC，逐漸過渡到無橋PFC，甚至圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；二是必須采用新的材料，包括現(xiàn)在熱門的碳化硅MOSFET和氮化鎵MOSFET；三是高頻化，高頻化可以提高功率密度，減小尺寸；四是貼片封裝更受歡迎，SMD封裝成為了主流。

對于二次電源部分，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不多，更主要的是使用新材料和高頻化器件。

圖3：5G時代的宏站整流器。

5G小基站電源設(shè)計的建議

在小基站方面，程文濤認(rèn)為5G時代的小基站跟宏基站有很大的區(qū)別，跟4G時代的微基站和微微基站也略有不同，“現(xiàn)在小基站，有的人也叫分布式基站，在5G時代，射頻部分和天線部分，會越來越多地融合在一起，不像以前RU跟天線是分開的，這種緊湊型的設(shè)計，對電源的要求是不同的?！?/p>

圖4：小基站供電設(shè)備的主要特點。

他認(rèn)為主要會有以下一些變化：
一是需要使用耐壓等級更高的器件。如果要做到更加緊湊，那么能夠接受的EMI的元件數(shù)量就要變少，因為EMI元件一般都是很大。但是EMI元件對射頻部分又非常關(guān)鍵，它除了擔(dān)任電磁兼容部分的任務(wù)外，還需要負(fù)責(zé)輸入部分的抗浪涌和雷擊任務(wù)。“這就像一個蹺蹺板，如何平衡緊湊，與減少EMI器件后還能承受以前一樣，甚至更高的抗浪涌和雷擊壓力?！背涛臐舱劦搅爽F(xiàn)在的一些應(yīng)對措施，那就是使用耐壓等級更高的器件。

二是需要采用新封裝形式的器件。由于要做得更加緊湊，貼片器件會用得更多。而且由于小基站很多是部署在室外的，基本上不使用風(fēng)扇，因為風(fēng)扇的維護(hù)成本高，且折舊速度快，因此現(xiàn)在小基站基本都是無風(fēng)扇設(shè)計。那如何才能適應(yīng)室外的款溫度變化呢，這就需要依靠設(shè)備的外殼幫助散熱。程文濤指出，現(xiàn)在不少器件都采用了新的封裝來幫助散熱，比如頂層散熱，或者雙面散熱的封裝。

三是在二次電源里面，DCDC部分會有一些新的技術(shù)出來，“例如以前大部分的MOS管都是漏極貼在PCB上的，現(xiàn)在有很多的器件是把源極設(shè)計在下面。源極朝下，配合漏極朝下的器件，做同步整流Buck的時候，在EMI、效率、PCB layout等方面都有非常大的優(yōu)勢。”程文濤表示。

總結(jié)

總的來說，在5G時代，如何降低功耗是整個產(chǎn)業(yè)鏈都需要思考的問題。高效率、高功率密度、以及高頻化將會是接下來業(yè)界持續(xù)關(guān)注的話題。在程文濤看來，在效率方面，對通信電源來說，當(dāng)電源效率提升到一定程度之后，提高效率的任務(wù)就會落在射頻端，射頻端的效率提升一點點的好處將會大于電源部分效率的提升；高功率密度可以讓設(shè)備的尺寸變得更小，會是業(yè)界持續(xù)關(guān)注的重點；高頻化則需要依賴新材料來實現(xiàn)，包括碳化硅、氮化鎵、磁性新材料等，因為只有主動器件和被動器件同時高頻化，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化。

對5G時代的電源設(shè)計工程師來說，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新材料是必須要熟悉的，因為碳化硅、氮化鎵等新材料器件出來的時間并不長，每個廠商推出的器件特性都是不一樣的，不像硅器件特性大家都比較熟悉。因此，程文濤建議電源設(shè)計工程師，盡早熟悉新材料器件、高頻化設(shè)計，開拓設(shè)計思路，以適應(yīng)未來的電源設(shè)計工作。