5G基站耗电惊人!为何5G基站高功耗?5G基站电源设计挑战分析

电子发烧友网 发表于 2020-08-05 11:12:16 收藏 已收藏
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5G基站耗电惊人!为何5G基站高功耗?5G基站电源设计挑战分析

电子发烧友网 发表于 2020-08-05 11:12:16

电子发烧友网报道(文/程文智)最近,一篇关于中国联通在每天21:00到次日9:00关闭5G基站,以减少能耗,节约电费的新闻,引起了大量的关注。很多人是在看到这样的报道后才知道,原来5G基站是需要耗费大量电能的。

最开始大家普遍关注的是5G带来的各种好处,比如更高的速率、更宽的带宽、更低的延时,以及更高的连接密度,而忽略了如此高性能需要付出的代价。现在,随着5G建设的加速,逐渐进入实际商用阶段,那么面临的落地挑战也开始逐渐浮出水面。5G基站电源就是我们遇到的一个挡路虎。

因此,不久前,<电子发烧友网>邀请到在基站电源领域有着丰富经验的专家,探讨了《5G网络演进对电源设计的挑战》问题。他们分别是来自英飞凌科技(中国)有限公司的电源与传感系统事业部市场部经理程文涛和MPS北中国区副总经理卢平。

为何5G基站高功耗?

 

 
 
要实现5G移动通信,首先需要部署大量的5G基站,包括宏基站和小基站(也称分布式基站),基站能耗主要以电为主,随着电力成本的增加,移动网络的扩大,基站机房电费支出也水涨船高,因此才会出现中国联通需要定时开关机5G基站的情况。
 
目前5G基站能耗主要集中在基站、传输、电源和机房空调四部分,而其中基站的电费支出占整体网络能耗的80%以上。而在基站能耗中,负责处理信号编码的基带单元(BBU)的功耗相对较小,射频单元(RRU/AAU)的功耗相对较大。
 
根据去年华为发布的《5G电源白皮书》显示,从4G演进到5G,虽然单位流量的功耗大幅降低了,但是5G总功耗相比4G还是大幅增加的。预计在5G时代,64T64R AAU最大功耗将会达到1000~1400W,BBU最大功耗将达到2000W左右。
 
在5G时代,一站多频将会是典型配置,预测5频以上站点占比将从2016年3%增加到2023年45%。一站多频将导致整站最大功耗超过10kW,10频及10频以上站点功耗超过20kW,多运营商共享场景下,功耗还将翻倍。
 
就目前来说,5G基站相比4G基站功耗提升了3倍以上,加上由于覆盖范围的衰减,5G基站的需求量成倍增加,因此,对于运营商而言,5G基站的高功耗成为了制约5G建网的首要原因。
 
随着5G网络走向低/高频混合组网,为满足网络容量增长的业务需求,大量的末梢站点将会被部署,网络站点数量将会出现大幅增加,整个网络的功耗将会呈倍数增长。
 
图1:5G基站能耗变化
 
在英飞凌的程文涛看来,5G时代除了宏基站,还需要大量的小基站,另外边缘计算的服务器也会大幅增加,这些对电源都会有新的要求。
 
MPS的卢平解释说,5G基站能耗的大幅提升原因主要有两个,一是天线数量的增加,现在一般需要使用64T64R的矩阵天线,矩阵天线的使用可以实现波束赋形,支持更多的用户,覆盖更大的范围,实现更长距离的通信,同样也大幅提升了能耗;二是强大算法的支持需要用到高性能的FPGA,及处理器,这些都需要消耗大量的电能。因此现在最重要的任务就是降功耗。
 
图2:5G带来的好处
 
5G对电源设计的影响

 

 
 
由于5G基站能耗的增加,电费成为了运营商不可忽视的一个因素,运营5G基站的运营商会越来越关注基站的耗电量。因此,如何帮助运营商节省电费变成了一个重要的话题。那么要节省电费,电源的设计就是一个绕不开的话题。
 
程文涛认为,5G时代的到来,对电源设计的影响是非常明显的。他主要谈到了三个方面的影响:
 
首先是对新材料、新拓扑结构,以及高性能器件的使用将会更多。“如果想要提升效率,节省电费,那么使用的元器件就不可能跟3G/4G时代那样对成本要求那么严格,必然需要用到性能好的器件、好的拓扑结构、好的材料。”程文涛在直播中表示。
 
其次,是总线电压将会提升。由于耗电量增加了,电源设计也发生了一些变化,比如之前都是使用48V电压的通信总线不得不提升到72V,这样就会导致开关电源(DCDC)的输出端电压发生变化。
 
还有可靠性问题也更受到关注。由于基站有个很重要的特点就是投入运营之后,基本上就是无人值守了,因此不论是设备供应商,还是运营商对可维修性、可远程监控性、以及低故障率的要求远远高于其他行业。
 
其实基站电源主要是分成三级的,一般来说基站的供电电源是220V的市电。第一级是将220V转换到-48V;第二级一般是使用模块电源,将-48V电压转换成给PA供电的48V,或者28V电压;第三级是板级电源,从12V转换到给各个芯片、模拟电路、数字电路等所需的电压。
 
卢平认为,从优化电源设计来看,三个不同层次的电源都有优化的工作要做。从板级电源来看的话,主要也有三个变化:
 
一是电流在增大。4G时代,单轨电流不会超过30A,到了5G时代,由于用了很多FPGA,x86芯片等,使得板级电流大幅增大,达到了50~60A。因此,原来的电源设计就不能满足这些这么大电流的设计了。
 
二是通道数增加了。由于信号链路变得复杂和敏感,所以有的单板上,会有多达数十个通道的电源轨。这使得整个电源设计管理的复杂度,也比原来高了很多。信号链路变得复杂,对噪声的敏感度也相应提升了,5G电源设计工程师在设计时需要考虑噪声设计和通道干扰。
 
三是环境温度变得更高了。5G通信的电源与数据中心的电源最大的不同是基站电源是户外的。环境温度的变化范围非常宽,尤其是在高温的情况下,外围的环境温度可能到60~70℃,内部的温度则可能超过100℃。对电源设计来说,在这么宽的温度范围内,压力也是非常大的。
 
如何应对5G基站电源设计挑战

 

 
 
对于宏基站,在一次电源和二次电源的优化方面,英飞凌的程文涛给出了一些建议。“在一次电源方面,我们看到一个很明显的趋势是要求高效率和高功率密度。现在电源的效率要达到97%,甚至98%的工作效率。”
 
要达到这个效率目标,程文涛认为一是需要用到新的拓扑结构,他举例说,ACDC的拓扑结构将会从有桥PFC,逐渐过渡到无桥PFC,甚至图腾柱拓扑结构;二是必须采用新的材料,包括现在热门的碳化硅MOSFET和氮化镓MOSFET;三是高频化,高频化可以提高功率密度,减小尺寸;四是贴片封装更受欢迎,SMD封装成为了主流。
 
对于二次电源部分,新的拓扑结构并不多,更主要的是使用新材料和高频化器件。
 
在三次电源,也就是板级电源方面,MPS的卢平做了进一步的解释。在4G时代,大电流的设计通常来说做得比较简单,单通道的DCDC基本就满足需求了。到5G时代,电流变大了之后,更多会采用多相电源的设计,原因是,多相电源设计将控制器和功率级分开之后,可以比传统的DCDC更有效率,体积上也更有优势,而且灵活性也会更强。
 
卢平指出,多相电源的方向在往数字化方向发展,数字化的电源可以提供很多功能,比如负载状态的监测、电压电流、故障信息的监测等,“这样客户可以基于监测到的信号,做更多的系统级优化,同时数字电源可以方便实现整个电源的管理,带来很大的灵活性。”
 
板级电源的高频化趋势也很明显,“很多时候,我们会发现电感加电容的面积已经超过控制器加MOS管的面积,而如果频率越高,后一级的被动器件就可以做得更小,所以我们在不断推进高频技术的发展。”卢平进一步指出。他认为,高频的限制因素并不在于控制器,而在于MOS管技术,因此MPS推出了平面MOSFET技术,通过使用平面的技术,MOSFET的Q级可以做得更小。高频化会带来很大的优势,现在最高频率可以做到3MHz,这可以极大地减少占板面积。
 
图3:MPS的多相电源设计
 
除了多相电源之外,在给模拟供电部分,MPS还通过优化的电源模块技术来代替传统的DCDC加LDO的供电模式。卢平表示,经过他们测试,优化后的模块电源性能与传统DCDC加LDO供电模式的性能非常接近。
 
他拿给赛灵思做的一个Zynq UltraScale+RFSoC电源参考设计举例说,“我们给它上面一个12位 2GSPS ADC和14位6.4GSPS DAC供电,我们直接采用的是开关电源设计,当然它不是直接的DCDC,它是一个电源模块,再加一级滤波,我们的纹波可以做到1mV以内,测试结果显示,我们的方案可以达到跟原来LDO给器件供电接近的水平。”
 
这主要跟MPS采用的特别技术密切相关,一般来说影响EMI噪声的核心因素是环路面积,尤其是变化电流的环路面积,对噪声影响是很大的,“我们通过引线框架结合倒装工艺,可以将从芯片到电感,包括到输入电容的环路面积做得最小。除了环路面积,还有一个影响因素是杂散阻抗,或者叫寄生阻抗,我们通过采用倒装工艺和铜柱取代原来的金线或铜线,可以非常有效地降低接线阻抗,也可以降低电压尖峰,因此,通过这两个技术的结合,可以将环路减小,电压尖峰减小,从而非常有效地改善了EMI特性。”卢平在直播中表示。
 
除此之外,MPS的电源模块还采用了对称设计、频率占空比的抖动,以及开关斜率的控制等优化措施。
 
图4:小基站的特点
 
在小基站方面,在5G时代,射频部分和天线部分越来越多地会融合在一起,这种紧凑型的设计对电源也提出了新的要求。比如说需要使用耐压等级更高的器件、贴片器件用得越来越多;新材料器件使用更加普遍,包括采用新材料的主动器件的被动器件。
 
结语

 

 
 
总的来说,在5G时代,如何降低功耗是整个产业链都需要思考的问题。高效率、高功率密度、以及高频化将会是接下来业界持续关注的话题。在程文涛看来,在效率方面,对通信电源来说,当电源效率提升到一定程度之后,提高效率的任务就会落在射频端,射频端的效率提升一点点的好处将会大于电源部分效率的提升;高功率密度可以让设备的尺寸变得更小,会是业界持续关注的重点;高频化则需要依赖新材料来实现,包括碳化硅、氮化镓、磁性新材料等,因为只有主动器件和被动器件同时高频化,才能实现系统的高频化。
 
因此,对于未来的5G电源工程师来说,必须要熟悉高频化设计、熟悉新材料、开拓新思路,才能适应未来的电源设计工作。
 
 

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原文标题:5G耗电惊人!运营商定时开关机?不不不,基站省电还有这些方法~

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