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5G时代的到来,基站电源面临着哪些挑战?

【导读】在5G技术如此快速“进化”进程中,对于电源相关技术是一种考验,甚至有工程师称5G电源如同“电老虎”……与传统基站相比,5G基站站址更密集、环境更复杂、功耗倍增,基站基础设施需要具备快速部署、免维护、高效、能源数字化等特性,成为通信能源产业的全新命题。

华为首款5G手机,Mate 20 X 5G版一经发售秒售罄,预约超百万。自6月初四大运营商取得工信部授予的5G商用牌照起,中兴、华为均在近期加快5G相关进程。而值得一提的是,5G在部署的早期阶段,华为就在近期宣布已经开始在其渥太华实验室研究其第6代网络解决方案,也就是6G。

据专业人士分析,部署初期,5G网络主要采用CU和DU合设+AAU的设备方案,即在基站侧采用BBU+AAU单元的建设模式。其中,BBU单元安装在机房或室外机柜内,集成RRU和大规模天线阵列功能的AAU单元安装在室外天面。由于5G采用MIMO技术,BBU功耗将比现网4G系统的BBU功耗增加2倍,AAU功耗将比现网4G系统的AAU功耗增加2-3倍。

图1 基站功耗三大类型:传输功耗、计算功耗和额外功耗。

所以,5G电源要有低成本、高效率、免占地和少工勘的配套方案,方便极简快速部署,为5G网络的快速覆盖保驾护航。

据《人民邮电》姜荫华报道中指出,基于对5G应用场景、网络架构、设备演进、业务发展以及客户需求的综合分析,可以看出5G电源的几个显著的发展趋势:取电多样化、供电升压化、配电精细化和营维智能化。

图2 5G网络架构和电源保障(来源:中国电信)

具体如下:

1、取电多样化是指5G电源具备MIMO(Multipleinput & Multiple output)功能,兼容交流输入(市电、油机)、太阳能、高压直流等多种输入,同时实现多种制式输出,适应各类环境下的建网需求。

2、供电升压化是指传统的48V供电架构在5G时代可用性下降,要求5G电源系统具备升压供电的能力。由于5G主设备能耗相比于2G/3G/4G有了大幅提升,且5G站点拉远供电需求更多,如果继续采用传统的48V供电模式,线缆损耗和压降增大,设备输入端电压很可能无法满足正常的供电需求,供电升压化逐渐成为5G电源的重要发展趋势。

3、配电精细化是指5G电源可实现精细化下电和配电,极大提升关键业务的可靠性和保障能力。5G业务相比2G/3G/4G时间更加多元化,不同的业务轻重缓急各不相同,不同业务的分层分级管理可以提升网络的可靠性,并降低网络运维OPEX。配电精细化正是针对这一需求而提出。

4、营维智能化是指5G建设带来站点数量增加的情况下,网络的管理难度和对人力配置的要求都在增大,为了最大限度地减少增配人力带来的费用增加,以及降低整网管理难度,5G网络站点需实现营维智能管理;电源作为站点的能量来源,其稳定性和可靠性至关重要,除了可视以外,还需要能配合智能网管系统实现可管、可控。

另据“白皮书”中,华为基于对5G网络的深刻理解,在“白皮书”中提出5G电源设计需要遵从“极简”、“智能”和“高效”三个理念。

1、极简:5G电源需要遵循极简的设计理念,5G电源创新解决方案实现少占空间、简易安装、快速部署和简单运维。

2、智能:5G电源基于Bit管理Watt的理念,应用AI与Cloud技术实现电源与站点设备、电源与网络设备多层次的智能协同,电源从“功能机”演进到“智能机”,支撑站点的CAPEX和OPEX大幅降低。同时站点运维也需要从传统人工运维走向更高效的智能运维。

3、高效:区别于传统基于单部件节能的设计,5G电源需要从供电、转换、备电、配电、温控和负载环节进行端到端的全链路高效设计。同时在供电环节,支持各类新能源接入,支撑绿色节能,实现0比特0瓦特的目标。

那么具体如何为5G基站组件选择合适的电源?据亚德诺半导体(ADI)davidmok表示,一个典型的5G波束成型发射器由数字MIMO、数据转换器、信号处理组件、放大器和天线组成。

1、FPGA的供电,为了充分实现5G的优势,设计人员需要使用更高频率的无线电,通过整合更多集成型微波/毫米波收发器、现场可编程门阵列(FPGA)、更高速率的数据转换器以及适合更小蜂窝的高功率低噪声功率放大器(PA),才能充分利用新频谱,以满足未来的数据容量需求。此外,这些5G蜂窝还将包含更多的集成天线,才能应用大规模多路输入、多路输出(MIMO)技术以实现可靠连接。因此,需要各种最先进的电源为5G基站组件供电。

现代FPGA和处理器采用先进纳米工艺制造,因为它们通常要在紧凑封装内的高电流条件下采用低电压(<0.9V)执行快速计算。此外,新一代FPGA需要更低的内核电压以大幅提高计算速度,同时又要求更高的I/O接口电压,并且还需要额外的DDR存储器供电轨。因此,单个FPGA实际上需要具有严紧容差的多个电压和不同的额定电流,以实现最优操作。

更重要的是,为了避免损坏,必须以正确的顺序对这些电压轨的时序进行控制。使用最新的半导体技术结合领先的电路拓扑和先进封装技术来构建电源,可以满足这些严格的要求。然而,如果设计人员未能正确使用合适的电源管理解决方案,则会导致各种风险,从低效率到热性能以及其他不希望出现的性能相关的问题。

2、高速数据转换器的低噪声供电,同样,运行速度更快的精密数据转换器(如模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC))也需要多个电源轨,例如具有极低噪声和直流纹波的1.3V、2.5V和3.3V。通常,这些高速ADC和DAC布设在拥挤的印刷电路板(PCB)上,可用空间有限。因此,在设计这些高速数据转换器的电源系统时,ADC和DAC的电源灵敏度必须是首要考虑因素。

在某些情况下,为了最大程度地提高电源电压抑制比(PSRR)性能,可以在开关稳压器之后的电源路径中使用线性稳压器。

3、PA和收发器的电源管理,这些新一代无线电整合了集成型收发器和低噪声、高功率微波/毫米波PA,并具有更宽带宽,它们的数字控制和管理系统需要使用多种专用电源技术。例如,基于氮化镓(GaN)的低噪声、高功率PA将需要高达28V至50V的电压,同时基于FPGA的控制和高速ADC和DAC将需要多个更低的电压,并具有适当的时序控制、监控和保护功能。最先进的DC/DC转换器可提供这些5G PA所需的效率(>90%)、功率密度、低噪声性能和控制功能。在新一代(5G)产品性能必须超越上一代(4G)的巨大压力下,几乎没有任何折衷的余地。

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