(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基站是需要耗費大量電能的。
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。
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。
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。
在5G時代,一站多頻將會是典型配置,預(yù)測5頻以上站點占比將從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頻以上站點功耗超過20kW,多運營商共享場景下,功耗還將翻倍。
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,大量的末梢站點將會被部署,網(wǎng)絡(luò)站點數(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。
圖1:5G基站能耗變化。
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。
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現(xiàn)波束賦形,支持更多的用戶,覆蓋更大的范圍,實現(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,電費成為了運營商不可忽視的一個因素,運營5G基站的運營商會越來越關(guān)注基站的耗電量。因此,如何幫助運營商節(jié)省電費變成了一個重要的話題。那么要節(jié)省電費,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?!叭绻胍嵘剩?jié)省電費,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?br />
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就是投入運營之后,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)。
其實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。
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。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。
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)。
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)字電源可以方便實現(xiàn)整個電源的管理,帶來很大的靈活性?!?br />
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?!北R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。
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。
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?!?br />
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。
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。
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點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;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。
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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