基站供电设备的主要特点与电源设计策略

这两年最热门的技术莫过于 5G 和人工智能，根据工信部的统计数据，全国已建成的 5G 基站超过 25 万个，有 130 款 5G 手机获得入网销售许可，5G 终端连接数超过 3600 万，到 7 月份时，5G 终端连接数超过了 6600 万。

在基站建设方面，三大运营商计划今年涉及 5G 业务的总投资额高达 1803 亿元人民币，预计年底全国建设开通 70 万 5G 基站，2021 年达到 100 万以上。

可是最近的一篇报道，引起了人们对 5G 基站能源消耗的关注。新闻的内容是为了减少能耗，节约电费，中国联通在洛阳某地的 5G 基站在每天 21 点到次日 9 点就将关闭。为什么 5G 基站的能耗会如此高呢？

5G 基站能耗高的原因

目前 5G 基站能耗主要集中在基站、传输、电源和机房空调四部分，而其中基站的电费支出占整体网络能耗的 80%以上。而在基站能耗中，负责处理信号编码的基带单元（BBU）的功耗相对较小，射频单元（RRU/AAU）的功耗相对较大。

根据去年华为发布的《5G 电源白皮书》显示，从 4G 演进到 5G，虽然单位流量的功耗大幅降低了，但是 5G 总功耗相比 4G 还是大幅增加的。预计在 5G 时代，64T64R AAU 最大功耗将会达到 1000~1400W，BBU 最大功耗将达到 2000W 左右。

在 5G 时代，一站多频将会是典型配置，预测 5 频以上站点占比将从 2016 年 3%增加到 2023 年 45%。一站多频将导致整站最大功耗超过 10kW，10 频及 10 频以上站点功耗超过 20kW，多运营商共享场景下，功耗还将翻倍。

英飞凌科技（中国）有限公司的电源与传感系统事业部市场部经理程文涛在《电子发烧友网》举办的《5G 网络演进对电源设计的挑战》直播中表示，5G 基站相比 4G 基站功耗提升了 3 倍以上，加上由于覆盖范围的衰减，5G 基站的需求量成倍增加，因此，对于运营商而言，5G 基站的高功耗成为了制约 5G 建网的首要原因。

随着 5G 网络走向低 / 高频混合组网，为满足网络容量增长的业务需求，大量的末梢站点将会被部署，网络站点数量将会出现大幅增加，整个网络的功耗将会呈倍数增长。

5G 时代电源设计面临的挑战

基站电源主要是分成三级的，一般来说基站的供电电源是 220V 的市电。第一级是将 220V 转换到 -48V；第二级一般是使用模块电源，将 -48V 电压转换成给 PA 供电的 48V，或者 28V 电压；第三级是板级电源，从 12V 转换到给各个芯片、模拟电路、数字电路等所需的电压。

通信系统供电链。

由于 5G 基站能耗的增加，电费成为了运营商不可忽视的一个因素，运营 5G 基站的运营商会越来越关注基站的耗电量。因此，如何帮助运营商节省电费变成了一个重要的话题。那么要节省电费，电源的设计就是一个绕不开的话题。

程文涛认为，5G 时代的到来，对电源设计的影响是非常明显的。他主要谈到了三个方面的影响：

首先是对新材料、新拓扑结构，以及高性能器件的使用将会更多。“如果想要提升效率，节省电费，那么使用的元器件就不可能跟 3G/4G 时代那样对成本要求那么严格，必然需要用到性能好的器件、好的拓扑结构、好的材料。”程文涛在直播中表示。

其次，是总线电压将会提升。由于耗电量增加了，电源设计也发生了一些变化，比如之前都是使用 48V 电压的通信总线不得不提升到 72V，这样就会导致开关电源（DCDC）的输出端电压发生变化。

还有可靠性问题也更受到关注。由于基站有个很重要的特点就是投入运营之后，基本上就是无人值守了，因此不论是设备供应商，还是运营商对可维修性、可远程监控性、以及低故障率的要求远远高于其他行业。

5G 宏基站电源设计策略

对于宏基站，在一次电源和二次电源的优化方面，英飞凌的程文涛给出了一些建议。“在一次电源方面，我们看到一个很明显的趋势是要求高效率和高功率密度。现在电源的效率要达到 97%，甚至 98%的工作效率。”

要达到这个效率目标，程文涛认为一是需要用到新的拓扑结构，他举例说，ACDC 的拓扑结构将会从有桥 PFC，逐渐过渡到无桥 PFC，甚至图腾柱拓扑结构；二是必须采用新的材料，包括现在热门的碳化硅 MOSFET 和氮化镓 MOSFET；三是高频化，高频化可以提高功率密度，减小尺寸；四是贴片封装更受欢迎，SMD 封装成为了主流。

对于二次电源部分，新的拓扑结构并不多，更主要的是使用新材料和高频化器件。

5G 时代的宏站整流器。

5G 小基站电源设计的建议

在小基站方面，程文涛认为 5G 时代的小基站跟宏基站有很大的区别，跟 4G 时代的微基站和微微基站也略有不同，“现在小基站，有的人也叫分布式基站，在 5G 时代，射频部分和天线部分，会越来越多地融合在一起，不像以前 RU 跟天线是分开的，这种紧凑型的设计，对电源的要求是不同的。”

小基站供电设备的主要特点。

他认为主要会有以下一些变化：

一是需要使用耐压等级更高的器件。如果要做到更加紧凑，那么能够接受的 EMI 的元件数量就要变少，因为 EMI 元件一般都是很大。但是 EMI 元件对射频部分又非常关键，它除了担任电磁兼容部分的任务外，还需要负责输入部分的抗浪涌和雷击任务。“这就像一个跷跷板，如何平衡紧凑，与减少 EMI 器件后还能承受以前一样，甚至更高的抗浪涌和雷击压力。”程文涛也谈到了现在的一些应对措施，那就是使用耐压等级更高的器件。

二是需要采用新封装形式的器件。由于要做得更加紧凑，贴片器件会用得更多。而且由于小基站很多是部署在室外的，基本上不使用风扇，因为风扇的维护成本高，且折旧速度快，因此现在小基站基本都是无风扇设计。那如何才能适应室外的款温度变化呢，这就需要依靠设备的外壳帮助散热。程文涛指出，现在不少器件都采用了新的封装来帮助散热，比如顶层散热，或者双面散热的封装。

三是在二次电源里面，DCDC 部分会有一些新的技术出来，“例如以前大部分的 MOS 管都是漏极贴在 PCB 上的，现在有很多的器件是把源极设计在下面。源极朝下，配合漏极朝下的器件，做同步整流 Buck 的时候，在 EMI、效率、PCB layout 等方面都有非常大的优势。”程文涛表示。

总结

总的来说，在 5G 时代，如何降低功耗是整个产业链都需要思考的问题。高效率、高功率密度、以及高频化将会是接下来业界持续关注的话题。在程文涛看来，在效率方面，对通信电源来说，当电源效率提升到一定程度之后，提高效率的任务就会落在射频端，射频端的效率提升一点点的好处将会大于电源部分效率的提升；高功率密度可以让设备的尺寸变得更小，会是业界持续关注的重点；高频化则需要依赖新材料来实现，包括碳化硅、氮化镓、磁性新材料等，因为只有主动器件和被动器件同时高频化，才能实现系统的高频化。

对 5G 时代的电源设计工程师来说，新拓扑结构和新材料是必须要熟悉的，因为碳化硅、氮化镓等新材料器件出来的时间并不长，每个厂商推出的器件特性都是不一样的，不像硅器件特性大家都比较熟悉。因此，程文涛建议电源设计工程师，尽早熟悉新材料器件、高频化设计，开拓设计思路，以适应未来的电源设计工作。
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