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)計數(shù)據(jù),截止到6月6日,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。
圖1:5G基站能耗變化。
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。
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。“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。”程文濤在直播中表示。
其次,是總線電壓將會提升。由于耗電量增加了,電源設(shè)計也發(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。“在一次電源方面,我們看到一個很明顯的趨勢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。”
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。
圖3:5G時代的宏站整流器。
5G小基站電源設(shè)計的建議
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,對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,因為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)。“這就像一個蹺蹺板,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。”程文濤也談到了現(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,因為風(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。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。”程文濤表示。
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現(xiàn),包括碳化硅、氮化鎵、磁性新材料等,因為只有主動器件和被動器件同時高頻化,才能實現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化。
對5G時代的電源設(shè)計工程師來說,新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新材料是必須要熟悉的,因為碳化硅、氮化鎵等新材料器件出來的時間并不長,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)計工程師,盡早熟悉新材料器件、高頻化設(shè)計,開拓設(shè)計思路,以適應(yīng)未來的電源設(shè)計工作。
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