（電子發(fā)燒友網(wǎng) 文/程文智）最近，一篇關(guān)于中國(guó)聯(lián)通在每天21:00到次日9:00關(guān)閉5G基站，以減少能耗，節(jié)約電費(fèi)的新聞，引起了大量的關(guān)注。很多人是在看到這樣的報(bào)道后才知道，原來(lái)5G基站是需要耗費(fèi)大量電能的。

最開(kāi)始大家普遍關(guān)注的是5G帶來(lái)的各種好處，比如更高的速率、更寬的帶寬、更低的延時(shí)，以及更高的連接密度，而忽略了如此高性能需要付出的代價(jià)?，F(xiàn)在，隨著5G建設(shè)的加速，逐漸進(jìn)入實(shí)際商用階段，那么面臨的落地挑戰(zhàn)也開(kāi)始逐漸浮出水面。5G基站電源就是我們遇到的一個(gè)擋路虎。

因此，不久前，<電子發(fā)燒友網(wǎng)>邀請(qǐng)到在基站電源領(lǐng)域有著豐富經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家，探討了《5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)對(duì)電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)》問(wèn)題。他們分別是來(lái)自英飛凌科技（中國(guó)）有限公司的電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)部經(jīng)理程文濤和MPS北中國(guó)區(qū)副總經(jīng)理盧平。

為何5G基站高功耗？

要實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信，首先需要布置大量的5G基站，包括宏基站和小基站（也稱(chēng)分布式基站），基站能耗主要以電為主，隨著店里成本的增加，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，基站機(jī)房電費(fèi)支出也水漲船高，因此才會(huì)出現(xiàn)中國(guó)聯(lián)通需要定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)5G基站的情況。

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(fèi)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(hào)編碼的基帶單元（BBU）的功耗相對(duì)較小，射頻單元（RRU/AAU）的功耗相對(duì)較大。

根據(jù)去年華為發(fā)布的《5G電源白皮書(shū)》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(jì)在5G時(shí)代，64T64R AAU最大功耗將會(huì)達(dá)到1000~1400W，BBU最大功耗將達(dá)到2000W左右。

在5G時(shí)代，一站多頻將會(huì)是典型配置，預(yù)測(cè)5頻以上站點(diǎn)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(guò)10kW，10頻及10頻以上站點(diǎn)功耗超過(guò)20kW，多運(yùn)營(yíng)商共享場(chǎng)景下，功耗還將翻倍。

就目前來(lái)說(shuō)，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(duì)于運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，大量的末梢站點(diǎn)將會(huì)被部署，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)數(shù)量將會(huì)出現(xiàn)大幅增加，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗將會(huì)呈倍數(shù)增長(zhǎng)。

圖1：5G基站能耗變化。

在英飛凌的程文濤看來(lái)，5G時(shí)代除了宏基站，還需要大量的小基站，另外邊緣計(jì)算的服務(wù)器也會(huì)大幅增加，這些對(duì)電源都會(huì)有新的要求。

MPS的盧平解釋說(shuō)，5G基站能耗的大幅提升原因主要有兩個(gè)，一是天線數(shù)量的增加，現(xiàn)在一般需要使用64T64R的矩陣天線，矩陣天線的使用可以實(shí)現(xiàn)波束賦形，支持更多的用戶，覆蓋更大的范圍，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的通信，同樣也大幅提升了能耗；二是強(qiáng)大算法的支持需要用到高性能的FPGA，及處理器，這些都需要消耗大量的電能。因此現(xiàn)在最重要的任務(wù)就是降功耗。

圖2：5G帶來(lái)的好處。

5G對(duì)電源設(shè)計(jì)的影響

由于5G基站能耗的增加，電費(fèi)成為了運(yùn)營(yíng)商不可忽視的一個(gè)因素，運(yùn)營(yíng)5G基站的運(yùn)營(yíng)商會(huì)越來(lái)越關(guān)注基站的耗電量。因此，如何幫助運(yùn)營(yíng)商節(jié)省電費(fèi)變成了一個(gè)重要的話題。那么要節(jié)省電費(fèi)，電源的設(shè)計(jì)就是一個(gè)繞不開(kāi)的話題。

程文濤認(rèn)為，5G時(shí)代的到來(lái)，對(duì)電源設(shè)計(jì)的影響是非常明顯的。他主要談到了三個(gè)方面的影響：

首先是對(duì)新材料、新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及高性能器件的使用將會(huì)更多?！叭绻胍嵘?，節(jié)省電費(fèi)，那么使用的元器件就不可能跟3G/4G時(shí)代那樣對(duì)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(huì)提升。由于耗電量增加了，電源設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源（DCDC）的輸出端電壓發(fā)生變化。

還有可靠性問(wèn)題也更受到關(guān)注。由于基站有個(gè)很重要的特點(diǎn)就是投入運(yùn)營(yíng)之后，基本上就是無(wú)人值守了，因此不論是設(shè)備供應(yīng)商，還是運(yùn)營(yíng)商對(duì)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)。

其實(shí)基站電源主要是分成三級(jí)的，一般來(lái)說(shuō)基站的供電電源是220V的市電。第一級(jí)是將220V轉(zhuǎn)換到-48V；第二級(jí)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(jí)是板級(jí)電源，從12V轉(zhuǎn)換到給各個(gè)芯片、模擬電路、數(shù)字電路等所需的電壓。

盧平認(rèn)為，從優(yōu)化電源設(shè)計(jì)來(lái)看，三個(gè)不同層次的電源都有優(yōu)化的工作要做。從板級(jí)電源來(lái)看的話，主要也有三個(gè)變化：
一是電流在增大。4G時(shí)代，單軌電流不會(huì)超過(guò)30A，到了5G時(shí)代，由于用了很多FPGA，x86芯片等，使得板級(jí)電流大幅增大，達(dá)到了50~60A。因此，原來(lái)的電源設(shè)計(jì)就不能滿足這些這么大電流的設(shè)計(jì)了。
二是通道數(shù)增加了。由于信號(hào)鏈路變得復(fù)雜和敏感，所以有的單板上，會(huì)有多達(dá)數(shù)十個(gè)通道的電源軌。這使得整個(gè)電源設(shè)計(jì)管理的復(fù)雜度，也比原來(lái)高了很多。信號(hào)鏈路變得復(fù)雜，對(duì)噪聲的敏感度也相應(yīng)提升了，5G電源設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮噪聲設(shè)計(jì)和通道干擾。
三是環(huán)境溫度變得更高了。5G通信的電源與數(shù)據(jù)中心的電源最大的不同是基站電源是戶外的。環(huán)境溫度的變化范圍非常寬，尤其是在高溫的情況下，外圍的環(huán)境溫度可能到60~70℃，內(nèi)部的溫度則可能超過(guò)100℃。對(duì)電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在這么寬的溫度范圍內(nèi)，壓力也是非常大的。

如何應(yīng)對(duì)5G基站電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

對(duì)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(gè)很明顯的趨勢(shì)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(gè)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(shuō)，ACDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)從有橋PFC，逐漸過(guò)渡到無(wú)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(mén)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(duì)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。

在三次電源，也就是板級(jí)電源方面，MPS的盧平做了進(jìn)一步的解釋。在4G時(shí)代，大電流的設(shè)計(jì)通常來(lái)說(shuō)做得比較簡(jiǎn)單，單通道的DCDC基本就滿足需求了。到5G時(shí)代，電流變大了之后，更多會(huì)采用多相電源的設(shè)計(jì)，原因是，多相電源設(shè)計(jì)將控制器和功率級(jí)分開(kāi)之后，可以比傳統(tǒng)的DCDC更有效率，體積上也更有優(yōu)勢(shì)，而且靈活性也會(huì)更強(qiáng)。

盧平指出，多相電源的方向在往數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字化的電源可以提供很多功能，比如負(fù)載狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、電壓電流、故障信息的監(jiān)測(cè)等，“這樣客戶可以基于監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，做更多的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，同時(shí)數(shù)字電源可以方便實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源的管理，帶來(lái)很大的靈活性?！?br />
板級(jí)電源的高頻化趨勢(shì)也很明顯，“很多時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)電感加電容的面積已經(jīng)超過(guò)控制器加MOS管的面積，而如果頻率越高，后一級(jí)的被動(dòng)器件就可以做得更小，所以我們?cè)诓粩嗤七M(jìn)高頻技術(shù)的發(fā)展。”盧平進(jìn)一步指出。他認(rèn)為，高頻的限制因素并不在于控制器，而在于MOS管技術(shù)，因此MPS推出了平面MOSFET技術(shù)，通過(guò)使用平面的技術(shù)，MOSFET的Q級(jí)可以做得更小。高頻化會(huì)帶來(lái)很大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在最高頻率可以做到3MHz，這可以極大地減少占板面積。

圖3：MPS的多相電源設(shè)計(jì)。

除了多相電源之外，在給模擬供電部分，MPS還通過(guò)優(yōu)化的電源模塊技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCDC加LDO的供電模式。盧平表示，經(jīng)過(guò)他們測(cè)試，優(yōu)化后的模塊電源性能與傳統(tǒng)DCDC加LDO供電模式的性能非常接近。

他拿給賽靈思做的一個(gè)Zynq UltraScale+RFSoC電源參考設(shè)計(jì)舉例說(shuō)，“我們給它上面一個(gè)12位 2GSPS ADC和14位6.4GSPS DAC供電，我們直接采用的是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，當(dāng)然它不是直接的DCDC，它是一個(gè)電源模塊，再加一級(jí)濾波，我們的紋波可以做到1mV以內(nèi)，測(cè)試結(jié)果顯示，我們的方案可以達(dá)到跟原來(lái)LDO給器件供電接近的水平?！?br />
這主要跟MPS采用的特別技術(shù)密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)影響EMI噪聲的核心因素是環(huán)路面積，尤其是變化電流的環(huán)路面積，對(duì)噪聲影響是很大的，“我們通過(guò)引線框架結(jié)合倒裝工藝，可以將從芯片到電感，包括到輸入電容的環(huán)路面積做得最小。除了環(huán)路面積，還有一個(gè)影響因素是雜散阻抗，或者叫寄生阻抗，我們通過(guò)采用倒裝工藝和銅柱取代原來(lái)的金線或銅線，可以非常有效地降低接線阻抗，也可以降低電壓尖峰，因此，通過(guò)這兩個(gè)技術(shù)的結(jié)合，可以將環(huán)路減小，電壓尖峰減小，從而非常有效地改善了EMI特性?！北R平在直播中表示。

除此之外，MPS的電源模塊還采用了對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)、頻率占空比的抖動(dòng)，以及開(kāi)關(guān)斜率的控制等優(yōu)化措施。

圖4：小基站的特點(diǎn)。

在小基站方面，在5G時(shí)代，射頻部分和天線部分越來(lái)越多地會(huì)融合在一起，這種緊湊型的設(shè)計(jì)對(duì)電源也提出了新的要求。比如說(shuō)需要使用耐壓等級(jí)更高的器件、貼片器件用得越來(lái)越多；新材料器件使用更加普遍，包括采用新材料的主動(dòng)器件的被動(dòng)器件。

結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在5G時(shí)代，如何降低功耗是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都需要思考的問(wèn)題。高效率、高功率密度、以及高頻化將會(huì)是接下來(lái)業(yè)界持續(xù)關(guān)注的話題。在程文濤看來(lái)，在效率方面，對(duì)通信電源來(lái)說(shuō)，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(huì)落在射頻端，射頻端的效率提升一點(diǎn)點(diǎn)的好處將會(huì)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(huì)是業(yè)界持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)；高頻化則需要依賴新材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括碳化硅、氮化鎵、磁性新材料等，因?yàn)橹挥兄鲃?dòng)器件和被動(dòng)器件同時(shí)高頻化，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化。

因此，對(duì)于未來(lái)的5G電源工程師來(lái)說(shuō)，必須要熟悉高頻化設(shè)計(jì)、熟悉新材料、開(kāi)拓新思路，才能適應(yīng)未來(lái)的電源設(shè)計(jì)工作。

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