【導(dǎo)讀】在5G技術(shù)如此快速“進(jìn)化”進(jìn)程中，對(duì)于電源相關(guān)技術(shù)是一種考驗(yàn)，甚至有工程師稱5G電源如同“電老虎”……與傳統(tǒng)基站相比，5G基站站址更密集、環(huán)境更復(fù)雜、功耗倍增，基站基礎(chǔ)設(shè)施需要具備快速部署、免維護(hù)、高效、能源數(shù)字化等特性，成為通信能源產(chǎn)業(yè)的全新命題。
華為首款5G手機(jī)，Mate 20 X 5G版一經(jīng)發(fā)售秒售罄，預(yù)約超百萬。自6月初四大運(yùn)營商取得工信部授予的5G商用牌照起，中興、華為均在近期加快5G相關(guān)進(jìn)程。而值得一提的是，5G在部署的早期階段，華為就在近期宣布已經(jīng)開始在其渥太華實(shí)驗(yàn)室研究其第6代網(wǎng)絡(luò)解決方案，也就是6G。
據(jù)專業(yè)人士分析，部署初期，5G網(wǎng)絡(luò)主要采用CU和DU合設(shè)+AAU的設(shè)備方案,即在基站側(cè)采用BBU+AAU單元的建設(shè)模式。其中，BBU單元安裝在機(jī)房或室外機(jī)柜內(nèi)，集成RRU和大規(guī)模天線陣列功能的AAU單元安裝在室外天面。由于5G采用MIMO技術(shù)，BBU功耗將比現(xiàn)網(wǎng)4G系統(tǒng)的BBU功耗增加2倍，AAU功耗將比現(xiàn)網(wǎng)4G系統(tǒng)的AAU功耗增加2-3倍。
圖1 基站功耗三大類型：傳輸功耗、計(jì)算功耗和額外功耗。
所以，5G電源要有低成本、高效率、免占地和少工勘的配套方案，方便極簡快速部署，為5G網(wǎng)絡(luò)的快速覆蓋保駕護(hù)航。
據(jù)《人民郵電》姜蔭華報(bào)道中指出，基于對(duì)5G應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備演進(jìn)、業(yè)務(wù)發(fā)展以及客戶需求的綜合分析，可以看出5G電源的幾個(gè)顯著的發(fā)展趨勢：取電多樣化、供電升壓化、配電精細(xì)化和營維智能化。
圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和電源保障（來源：中國電信）
具體如下：
1、取電多樣化是指5G電源具備MIMO（Multipleinput & Multiple output）功能，兼容交流輸入（市電、油機(jī)）、太陽能、高壓直流等多種輸入，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種制式輸出，適應(yīng)各類環(huán)境下的建網(wǎng)需求。
2、供電升壓化是指傳統(tǒng)的48V供電架構(gòu)在5G時(shí)代可用性下降，要求5G電源系統(tǒng)具備升壓供電的能力。由于5G主設(shè)備能耗相比于2G/3G/4G有了大幅提升，且5G站點(diǎn)拉遠(yuǎn)供電需求更多，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的48V供電模式，線纜損耗和壓降增大，設(shè)備輸入端電壓很可能無法滿足正常的供電需求，供電升壓化逐漸成為5G電源的重要發(fā)展趨勢。
3、配電精細(xì)化是指5G電源可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化下電和配電，極大提升關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可靠性和保障能力。5G業(yè)務(wù)相比2G/3G/4G時(shí)間更加多元化，不同的業(yè)務(wù)輕重緩急各不相同，不同業(yè)務(wù)的分層分級(jí)管理可以提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維OPEX。配電精細(xì)化正是針對(duì)這一需求而提出。
4、營維智能化是指5G建設(shè)帶來站點(diǎn)數(shù)量增加的情況下，網(wǎng)絡(luò)的管理難度和對(duì)人力配置的要求都在增大，為了最大限度地減少增配人力帶來的費(fèi)用增加，以及降低整網(wǎng)管理難度，5G網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)需實(shí)現(xiàn)營維智能管理；電源作為站點(diǎn)的能量來源，其穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，除了可視以外，還需要能配合智能網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可管、可控。
另據(jù)“白皮書”中，華為基于對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的深刻理解，在“白皮書”中提出5G電源設(shè)計(jì)需要遵從“極簡”、“智能”和“高效”三個(gè)理念。
1、極簡：5G電源需要遵循極簡的設(shè)計(jì)理念，5G電源創(chuàng)新解決方案實(shí)現(xiàn)少占空間、簡易安裝、快速部署和簡單運(yùn)維。
2、智能：5G電源基于Bit管理Watt的理念，應(yīng)用AI與Cloud技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源與站點(diǎn)設(shè)備、電源與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多層次的智能協(xié)同，電源從“功能機(jī)”演進(jìn)到“智能機(jī)”，支撐站點(diǎn)的CAPEX和OPEX大幅降低。同時(shí)站點(diǎn)運(yùn)維也需要從傳統(tǒng)人工運(yùn)維走向更高效的智能運(yùn)維。
3、高效：區(qū)別于傳統(tǒng)基于單部件節(jié)能的設(shè)計(jì)，5G電源需要從供電、轉(zhuǎn)換、備電、配電、溫控和負(fù)載環(huán)節(jié)進(jìn)行端到端的全鏈路高效設(shè)計(jì)。同時(shí)在供電環(huán)節(jié)，支持各類新能源接入，支撐綠色節(jié)能，實(shí)現(xiàn)0比特0瓦特的目標(biāo)。
那么具體如何為5G基站組件選擇合適的電源？據(jù)亞德諾半導(dǎo)體（ADI）davidmok表示，一個(gè)典型的5G波束成型發(fā)射器由數(shù)字MIMO、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理組件、放大器和天線組成。
1、FPGA的供電，為了充分實(shí)現(xiàn)5G的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)人員需要使用更高頻率的無線電，通過整合更多集成型微波/毫米波收發(fā)器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、更高速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及適合更小蜂窩的高功率低噪聲功率放大器(PA)，才能充分利用新頻譜，以滿足未來的數(shù)據(jù)容量需求。此外，這些5G蜂窩還將包含更多的集成天線，才能應(yīng)用大規(guī)模多路輸入、多路輸出(MIMO)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)可靠連接。因此，需要各種最先進(jìn)的電源為5G基站組件供電。
現(xiàn)代FPGA和處理器采用先進(jìn)納米工藝制造，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ诰o湊封裝內(nèi)的高電流條件下采用低電壓(<0.9V)執(zhí)行快速計(jì)算。此外，新一代FPGA需要更低的內(nèi)核電壓以大幅提高計(jì)算速度，同時(shí)又要求更高的I/O接口電壓，并且還需要額外的DDR存儲(chǔ)器供電軌。因此，單個(gè)FPGA實(shí)際上需要具有嚴(yán)緊容差的多個(gè)電壓和不同的額定電流，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。
更重要的是，為了避免損壞，必須以正確的順序?qū)@些電壓軌的時(shí)序進(jìn)行控制。使用最新的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合領(lǐng)先的電路拓?fù)浜拖冗M(jìn)封裝技術(shù)來構(gòu)建電源，可以滿足這些嚴(yán)格的要求。然而，如果設(shè)計(jì)人員未能正確使用合適的電源管理解決方案，則會(huì)導(dǎo)致各種風(fēng)險(xiǎn)，從低效率到熱性能以及其他不希望出現(xiàn)的性能相關(guān)的問題。
2、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低噪聲供電，同樣，運(yùn)行速度更快的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)）也需要多個(gè)電源軌，例如具有極低噪聲和直流紋波的1.3V、2.5V和3.3V。通常，這些高速ADC和DAC布設(shè)在擁擠的印刷電路板(PCB)上，可用空間有限。因此，在設(shè)計(jì)這些高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)時(shí)，ADC和DAC的電源靈敏度必須是首要考慮因素。
在某些情況下，為了最大程度地提高電源電壓抑制比(PSRR)性能，可以在開關(guān)穩(wěn)壓器之后的電源路徑中使用線性穩(wěn)壓器。
3、PA和收發(fā)器的電源管理，這些新一代無線電整合了集成型收發(fā)器和低噪聲、高功率微波/毫米波PA，并具有更寬帶寬，它們的數(shù)字控制和管理系統(tǒng)需要使用多種專用電源技術(shù)。例如，基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達(dá)28V至50V的電壓，同時(shí)基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個(gè)更低的電壓，并具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)序控制、監(jiān)控和保護(hù)功能。最先進(jìn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供這些5G PA所需的效率(>90%)、功率密度、低噪聲性能和控制功能。在新一代(5G)產(chǎn)品性能必須超越上一代(4G)的巨大壓力下，幾乎沒有任何折衷的余地。
