這兩年最熱門(mén)的技術(shù)莫過(guò)于5G和人工智能，根據(jù)工信部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止到6月6日，全國(guó)已建成的5G基站超過(guò)25萬(wàn)個(gè)，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(guò)3600萬(wàn)，到7月份時(shí)，5G終端連接數(shù)超過(guò)了6600萬(wàn)。
在基站建設(shè)方面，三大運(yùn)營(yíng)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(guó)建設(shè)開(kāi)通70萬(wàn)5G基站，2021年達(dá)到100萬(wàn)以上。
可是最近的一篇報(bào)道，引起了人們對(duì)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(guó)聯(lián)通在洛陽(yáng)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(huì)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(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)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(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。
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)理程文濤在<電子發(fā)燒友網(wǎng)>舉辦的《5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)對(duì)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(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)。
5G時(shí)代電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
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。
圖2：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(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。“如果想要提升效率，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。”程文濤在直播中表示。
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)。
5G宏基站電源設(shè)計(jì)策略
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?，F(xiàn)在電源的效率要達(dá)到97%，甚至98%的工作效率。”
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。
圖3：5G時(shí)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(shí)代的小基站跟宏基站有很大的區(qū)別，跟4G時(shí)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(shí)代，射頻部分和天線部分，會(huì)越來(lái)越多地融合在一起，不像以前RU跟天線是分開(kāi)的，這種緊湊型的設(shè)計(jì)，對(duì)電源的要求是不同的。”
圖4：小基站供電設(shè)備的主要特點(diǎn)。
他認(rèn)為主要會(huì)有以下一些變化：
一是需要使用耐壓等級(jí)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)镋MI元件一般都是很大。但是EMI元件對(duì)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(gè)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。”程文濤也談到了現(xiàn)在的一些應(yīng)對(duì)措施，那就是使用耐壓等級(jí)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(huì)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(wú)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(lái)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(huì)有一些新的技術(shù)出來(lái)，“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(shí)候，在EMI、效率、PCB layout等方面都有非常大的優(yōu)勢(shì)。”程文濤表示。
總結(jié)
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。
對(duì)5G時(shí)代的電源設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新材料是必須要熟悉的，因?yàn)樘蓟?、氮化鎵等新材料器件出?lái)的時(shí)間并不長(zhǎng)，每個(gè)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(kāi)拓設(shè)計(jì)思路，以適應(yīng)未來(lái)的電源設(shè)計(jì)工作。
