（電子發(fā)燒友網(wǎng) 文/程文智）最近，一篇關(guān)于中國聯(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道后才知道，原來5G基站是需要耗費(fèi)大量電能的。
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最開始大家普遍關(guān)注的是5G帶來的各種好處，比如更高的速率、更寬的帶寬、更低的延時，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�，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)也開始逐漸浮出水面。5G基站電源就是我們遇到的一個擋路虎。
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因此，不久前，<電子發(fā)燒友網(wǎng)>邀請到在基站電源領(lǐng)域有著豐富經(jīng)驗(yàn)的專家，探討了《5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)對電源設(shè)計的挑戰(zhàn)》問題。他們分別是來自英飛凌科技（中國）有限公司的電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場部經(jīng)理程文濤和MPS北中國區(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，因此才會出現(xiàn)中國聯(lián)通需要定時開關(guān)機(jī)5G基站的情況。
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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。
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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。
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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。
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就目前來說，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。
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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。
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圖1：5G基站能耗變化。
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在英飛凌的程文濤看來，5G時代除了宏基站，還需要大量的小基站，另外邊緣計算的服務(wù)器也會大幅增加，這些對電源都會有新的要求。
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MPS的盧平解釋說，5G基站能耗的大幅提升原因主要有兩個，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帶來的好處。
?5G對電源設(shè)計的影響
?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。
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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：
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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�，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�！背涛臐谥辈ブ斜硎�。
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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。
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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)。
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其實(shí)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。
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盧平認(rèn)為，從優(yōu)化電源設(shè)計來看，三個不同層次的電源都有優(yōu)化的工作要做。從板級電源來看的話，主要也有三個變化：
一是電流在增大。4G時代，單軌電流不會超過30A，到了5G時代，由于用了很多FPGA，x86芯片等，使得板級電流大幅增大，達(dá)到了50~60A。因此，原來的電源設(shè)計就不能滿足這些這么大電流的設(shè)計了。
二是通道數(shù)增加了。由于信號鏈路變得復(fù)雜和敏感，所以有的單板上，會有多達(dá)數(shù)十個通道的電源軌。這使得整個電源設(shè)計管理的復(fù)雜度，也比原來高了很多。信號鏈路變得復(fù)雜，對噪聲的敏感度也相應(yīng)提升了，5G電源設(shè)計工程師在設(shè)計時需要考慮噪聲設(shè)計和通道干擾。
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100℃。對電源設(shè)計來說，在這么寬的溫度范圍內(nèi)，壓力也是非常大的。
如何應(yīng)對5G基站電源設(shè)計挑戰(zhàn)
?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�，F(xiàn)在電源的效率要達(dá)到97%，甚至98%的工作效率。”
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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。
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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。
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在三次電源，也就是板級電源方面，MPS的盧平做了進(jìn)一步的解釋。在4G時代，大電流的設(shè)計通常來說做得比較簡單，單通道的DCDC基本就滿足需求了。到5G時代，電流變大了之后，更多會采用多相電源的設(shè)計，原因是，多相電源設(shè)計將控制器和功率級分開之后，可以比傳統(tǒng)的DCDC更有效率，體積上也更有優(yōu)勢，而且靈活性也會更強(qiáng)。
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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、電壓電流、故障信息的監(jiān)測等，“這樣客戶可以基于監(jiān)測到的信號，做更多的系統(tǒng)級優(yōu)化，同時數(shù)字電源可以方便實(shí)現(xiàn)整個電源的管理，帶來很大的靈活性�！�
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板級電源的高頻化趨勢也很明顯，“很多時候，我們會發(fā)現(xiàn)電感加電容的面積已經(jīng)超過控制器加MOS管的面積，而如果頻率越高，后一級的被動器件就可以做得更小，所以我們在不斷推進(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)，通過使用平面的技術(shù)，MOSFET的Q級可以做得更小。高頻化會帶來很大的優(yōu)勢，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。
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除了多相電源之外，在給模擬供電部分，MPS還通過優(yōu)化的電源模塊技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCDC加LDO的供電模式。盧平表示，經(jīng)過他們測試，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。
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他拿給賽靈思做的一個Zynq UltraScale+RFSoC電源參考設(shè)計舉例說，“我們給它上面一個12位 2GSPS ADC和14位6.4GSPS DAC供電，我們直接采用的是開關(guān)電源設(shè)計，當(dāng)然它不是直接的DCDC，它是一個電源模塊，再加一級濾波，我們的紋波可以做到1mV以內(nèi)，測試結(jié)果顯示，我們的方案可以達(dá)到跟原來LDO給器件供電接近的水平。”
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這主要跟MPS采用的特別技術(shù)密切相關(guān)，一般來說影響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，對噪聲影響是很大的，“我們通過引線框架結(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，還有一個影響因素是雜散阻抗，或者叫寄生阻抗，我們通過采用倒裝工藝和銅柱取代原來的金線或銅線，可以非常有效地降低接線阻抗，也可以降低電壓尖峰，因此，通過這兩個技術(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。
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除此之外，MPS的電源模塊還采用了對稱設(shè)計、頻率占空比的抖動，以及開關(guān)斜率的控制等優(yōu)化措施。
圖4：小基站的特點(diǎn)。
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在小基站方面，在5G時代，射頻部分和天線部分越來越多地會融合在一起，這種緊湊型的設(shè)計對電源也提出了新的要求。比如說需要使用耐壓等級更高的器件、貼片器件用得越來越多；新材料器件使用更加普遍，包括采用新材料的主動器件的被動器件。
結(jié)語
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。
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因此，對于未來的5G電源工程師來說，必須要熟悉高頻化設(shè)計、熟悉新材料、開拓新思路，才能適應(yīng)未來的電源設(shè)計工作。
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