5G 给电源设计人员带来了复杂的挑战

许多人认为 5G 新无线电 (NR) 是对现有 4G 基础设施的简单升级。然而，使用多用户大规模 MIMO (MU-mMIMO)、集成接入和回程 (IAB) 以及频率高达 71 GHz 的毫米波 (mmWave) 波束赋形意味着这将是一种非常不同的技术。 4G。

与 5G 相关的更高频率推动了小型蜂窝的激增，这些蜂窝将需要在短距离内提供视距覆盖。从物理上讲，这意味着蜂窝站的架构将需要改变，整体尺寸和重量将减小，而功耗将增加。这一点以及对提高效率的需求将极大地增加电源设计人员面临的挑战，尤其是在 AC/DC 电源解决方案方面。

5G NR 基于 MU-mMIMO、IAB 和具有高达 71 GHz 毫米波频谱的波束成形，可提供高水平的连接性、数千兆位范围内的速度和约一毫秒的延迟。5G NR 通常被许多人视为演进道路上的下一步，与它将取代的早期技术（例如 4G）有着根本的不同。

不出所料，随着用户需要使用这项最新技术，5G NR 市场预计将出现非常快速的增长。研究公司 ResearchAndMarkets 估计1 5G 基础设施市场将以每年 55% 的复合年增长率从 2021 年到 2026 年增长，市场规模将达到 1154 亿美元。

这种增长的背后是对大量小型蜂窝的需求，以提供 5G NR 采用的更高频率所需的视线覆盖。许多地方都可以找到电池，包括街道照明和建筑物——事实上，几乎任何有高度和可用功率的地方。功率是 5G 的主要挑战之一。目前，根据 MTN Consulting 的数据，2 4G 电力约占移动运营商运营的 5% 至 6%。5G NR 将需要至少两倍于 4G 的功率，并且考虑到当前能源成本的增加，运营成本将显着上升。

5G电源挑战

5G 与以前的技术（2G、3G 和 4G）之间的区别之一是内部基站架构。在早期的系统中，功率放大器 (PA) 和电源单元 (PSU) 是完全独立的，它们有自己的热管理系统，通常是散热器。在 5G NR 中，PSU 很可能会与远程无线电单元 (RRU) 一起集成到 gNodeB 中，以形成有源天线单元 (AAU)——它只有一个散热器。

架构的变化给电源设计带来了更多挑战，再加上受限空间、高温、密封环境以及对轻量化解决方案的需求等问题，为 5G 设计 AC/DC 电源解决方案增加了更多复杂性。PA 的效率通常低于 PSU，这进一步加剧了这种情况，这会提高现在共享散热器的温度，从而将 PSU 的工作温度从约 85˚C 提高到接近 100˚C。这种升高的温度可能会影响可靠性，因为热量是导致组件故障的关键因素。

根据经验法则，元件温度每升高 10°C，PSU 的 MTBF 减半，可以看出，集成可以将 PSU 寿命缩短 50% 到 75%。这一点很重要，因为移动运营商正在寻求 7 到 10 年的 PSU 寿命，因为将要部署的数量巨大，以及接入和更换的难度和成本。

信号完整性是任何基于无线电的系统（例如 5G）的基本要求。但是，集成 PSU 和 RRU 来创建 AAU 会增加信号干扰的可能性，从而降低系统性能。干扰问题是双重的。首先，切换 PSU 会产生电磁干扰 (EMI)，并且必须将其限制在严格的限制范围内，以确保它们不会干扰 PA 和/或 RRU。PSU 还必须充分屏蔽，以使 5G 无线电信号不会干扰其运行。

当多个信号通过由不同材料（包括松散的电缆连接、受污染的表面、性能不佳的双工器或老化的天线）形成的结点并混合以在同一频带内产生和信号和差信号时，无源互调是一个问题，从而导致干扰。在设计的所有方面都必须考虑到这一点，以确保它不会成为问题。

应对电力挑战

已经采取了各种方法来降低 5G NR 小区的功耗。一种方法是用功耗较低的 8T8R 或 32T32R 天线替换 64T64R MIMO 天线。虽然这确实降低了功耗，但也存在性能折衷——而且在许多情况下，额外的 PA 实际上会增加功率需求。

图 3：5G 应用中需要对 PSU 进行散热。

许多人认为脉冲电源是一种潜在的解决方案。由于 5G 基站能够分析流量负载，它可以在流量较少时进入“睡眠模式”。与“永远在线”、不断传输参考信号以检测用户的 4G 相比，这是一个显着优势。然而，即使在睡眠模式下，基本功能也必须保持运行——尤其是允许紧急 (911) 呼叫以及确保对时间敏感的物联网流量不中断。

在解决一些挑战时，基础半导体技术可以发挥重要作用。事实上，半导体行业正在经历一场根本性的变革，以应对汽车、可再生能源和 5G 等众多应用快速变化的需求。这些应用在恶劣环境和高温下要求更高水平的性能、效率和可靠性。

几十年来，硅一直是半导体器件的中流砥柱。然而，在最具挑战性的应用中，这种材料正在被新的宽带隙 (WBG) 材料所取代，包括碳化硅和氮化镓。更高的电子迁移率带来了许多好处，这些好处在具有挑战性的电源应用中非常重要。

图 4：WBG 器件在需要高性能和高效率的应用中的优势

使用WBG 器件，静态和开关损耗与等效的 Si 器件相比更低。这提高了效率并允许在更高频率下运行，从而使无源元件更小且更具成本效益。这也有助于减轻重量，这是 5G 毫米波天线的一个关键考虑因素，因为这些天线通常需要放置在桅杆上以达到清除障碍物所需的高度。如果天线重量可以降低，那么桅杆的设计和部署就更简单、更灵活、更便宜。

此外，WBG 器件可以在高温下运行，从而提高了可靠性。最后，SiC 和 GaN 还倾向于产生更少的 EMI，这意味着需要更少的滤波和屏蔽——这在 5G 系统中是一个非常有用的优势。

5G 代表了与以前蜂窝技术相比的重大变化，更高的频率导致基站的位置更近并部署更多的小区。虽然这些变化将提供比以往任何时候都具有更高吞吐量和更低延迟的强大、高性能通信解决方案，但它们也带来了重大挑战——尤其是在功率方面。根据单元和特定的设计要求，5G RAN 部署的 AC/DC 电源要求可以从几百瓦到几千瓦不等。

低功率应用中使用的 PSU 通常嵌入在天线单元中，并依靠天线来冷却散热器和密封外壳以提供 IP 保护。对于更高功率的应用——例如，为基带单元供电、为无线电单元供电和为现场电池备份单元充电——通常使用更高功率的户外额定 PSU，每个 PSU 都独立于其自己的 IP65 等级外壳中。这些 PSU 可以并联以提供更高的输出功率，帮助用户配置紧凑的大容量电源系统，提供许多 5G 应用所需的超高输出能力。

最大限度地提高效率对于控制网络的运营成本非常重要，该网络消耗的能源至少是其前身的两倍，并确保尽管温度更高且冷却机会最少，但仍能可靠运行。基本架构修改可能有助于解决电源挑战，但不断变化的结构会增加干扰的可能性，从而降低网络性能。

该解决方案在于通过脉冲电源实现智能操作，并实施包括 WBG 在内的新半导体技术，从而开发出更加坚固、高效和紧凑的电源技术。

作为专为户外和恶劣环境操作而设计的高效、高密度、坚固的电源解决方案的领先供应商，Advanced Energy 认识到电源在 5G 基础设施建设中所扮演的角色。该公司正在研究如何在更高的散热器温度下运行而不影响产品寿命、如何在脉冲电源运行的待机模式下降低功耗，以及如何利用 WBG 器件来缩小 PSU 以便更容易集成进入AAU。

参考

1 2021 年全球 5G 基础设施市场报告：市场预计将从 2021 年的 129 亿美元增长到 2026 年的 1154 亿美元 – ResearchAndMarkets.com。（2021 年 9 月 10 日）。美国商业资讯。bwnews.pr/3xaHKJU

2 M.沃克。（2020 年 3 月 27 日）。“运营商面临电力成本紧缩。” MTN 咨询。bit.ly/3tqciGt

审核编辑 黄昊宇