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(jì)數(shù)據(jù)，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(yùn)營商計(jì)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(jì)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(fèi)，中國聯(lián)通在洛陽某地的 5G 基站在每天 21 點(diǎn)到次日 9 點(diǎn)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(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(jì)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。

在 5G 時代，一站多頻將會是典型配置，預(yù)測 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 10kW，10 頻及 10 頻以上站點(diǎn)功耗超過 20kW，多運(yùn)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(jì)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(yùn)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(diǎn)將會被部署，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)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(jì)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。

通信系統(tǒng)供電鏈。

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

程文濤認(rèn)為，5G 時代的到來，對電源設(shè)計(jì)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?！叭绻胍嵘剩?jié)省電費(fèi)，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谥辈ブ斜硎尽?/p>

其次，是總線電壓將會提升。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(diǎn)就是投入運(yùn)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(yùn)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(jì)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?！霸谝淮坞娫捶矫妫覀兛吹揭粋€很明顯的趨勢是要求高效率和高功率密度?，F(xiàn)在電源的效率要達(dá)到 97%，甚至 98%的工作效率?！?/p>

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。

5G 時代的宏站整流器。

5G 小基站電源設(shè)計(jì)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(jì)，對電源的要求是不同的?！?/p>

小基站供電設(shè)備的主要特點(diǎn)。

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?yàn)?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)?！斑@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?yàn)轱L(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(jì)。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(jì)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?！背涛臐硎尽?/p>

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(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)；高頻化則需要依賴新材料來實(shí)現(xiàn)，包括碳化硅、氮化鎵、磁性新材料等，因?yàn)橹挥兄鲃悠骷捅粍悠骷瑫r高頻化，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化。

對 5G 時代的電源設(shè)計(jì)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?yàn)樘蓟琛⒌壍刃虏牧掀骷鰜淼臅r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(jì)工程師，盡早熟悉新材料器件、高頻化設(shè)計(jì)，開拓設(shè)計(jì)思路，以適應(yīng)未來的電源設(shè)計(jì)工作。
? ? ? ?責(zé)任編輯:pj