5G基站电源设计面临的挑战及优化策略

这两年最热门的技术莫过于5G和人工智能，根据工信部的统计数据，截止到6月6日，全国已建成的5G基站超过25万个，有130款5G手机获得入网销售许可，5G终端连接数超过3600万，到7月份时，5G终端连接数超过了6600万。
 
在基站建设方面，三大运营商计划今年涉及5G业务的总投资额高达1803亿元人民币，预计年底全国建设开通70万5G基站，2021年达到100万以上。
 
可是最近的一篇报道，引起了人们对5G基站能源消耗的关注。新闻的内容是为了减少能耗，节约电费，中国联通在洛阳某地的5G基站在每天21点到次日9点就将关闭。为什么5G基站的能耗会如此高呢？
 

5G基站能耗高的原因

目前5G基站能耗主要集中在基站、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。

图1：5G基站能耗变化。

 
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。
 
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在<电子发烧友网>举办的《5G网络演进对电源设计的挑战》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。
 

5G时代电源设计面临的挑战

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。

图2：通信系统供电链。

 
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。 

5G宏基站电源设计策略

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。

图3：5G时代的宏站整流器。

 
5G小基站电源设计的建议

在小基站方面，程文涛认为5G时代的小基站跟宏基站有很大的区别，跟4G时代的微基站和微微基站也略有不同，“现在小基站，有的人也叫分布式基站，在5G时代，射频部分和天线部分，会越来越多地融合在一起，不像以前RU跟天线是分开的，这种紧凑型的设计，对电源的要求是不同的。”

图4：小基站供电设备的主要特点。

他认为主要会有以下一些变化：
一是需要使用耐压等级更高的器件。如果要做到更加紧凑，那么能够接受的EMI的元件数量就要变少，因为EMI元件一般都是很大。但是EMI元件对射频部分又非常关键，它除了担任电磁兼容部分的任务外，还需要负责输入部分的抗浪涌和雷击任务。“这就像一个跷跷板，如何平衡紧凑，与减少EMI器件后还能承受以前一样，甚至更高的抗浪涌和雷击压力。”程文涛也谈到了现在的一些应对措施，那就是使用耐压等级更高的器件。
 
二是需要采用新封装形式的器件。由于要做得更加紧凑，贴片器件会用得更多。而且由于小基站很多是部署在室外的，基本上不使用风扇，因为风扇的维护成本高，且折旧速度快，因此现在小基站基本都是无风扇设计。那如何才能适应室外的款温度变化呢，这就需要依靠设备的外壳帮助散热。程文涛指出，现在不少器件都采用了新的封装来帮助散热，比如顶层散热，或者双面散热的封装。
 
三是在二次电源里面，DCDC部分会有一些新的技术出来，“例如以前大部分的MOS管都是漏极贴在PCB上的，现在有很多的器件是把源极设计在下面。源极朝下，配合漏极朝下的器件，做同步整流Buck的时候，在EMI、效率、PCB layout等方面都有非常大的优势。”程文涛表示。

总结

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。
 
对5G时代的电源设计工程师来说，新拓扑结构和新材料是必须要熟悉的，因为碳化硅、氮化镓等新材料器件出来的时间并不长，每个厂商推出的器件特性都是不一样的，不像硅器件特性大家都比较熟悉。因此，程文涛建议电源设计工程师，尽早熟悉新材料器件、高频化设计，开拓设计思路，以适应未来的电源设计工作。