許多人認(rèn)為 5G 新無線電 (NR) 是對現(xiàn)有 4G 基礎(chǔ)設(shè)施的簡單升級。然而，使用多用戶大規(guī)模 MIMO (MU-mMIMO)、集成接入和回程 (IAB) 以及頻率高達(dá) 71 GHz 的毫米波 (mmWave) 波束賦形意味著這將是一種非常不同的技術(shù)。 4G。

與 5G 相關(guān)的更高頻率推動(dòng)了小型蜂窩的激增，這些蜂窩將需要在短距離內(nèi)提供視距覆蓋。從物理上講，這意味著蜂窩站的架構(gòu)將需要改變，整體尺寸和重量將減小，而功耗將增加。這一點(diǎn)以及對提高效率的需求將極大地增加電源設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)，尤其是在 AC/DC 電源解決方案方面。

5G NR 基于 MU-mMIMO、IAB 和具有高達(dá) 71 GHz 毫米波頻譜的波束成形，可提供高水平的連接性、數(shù)千兆位范圍內(nèi)的速度和約一毫秒的延遲。5G NR 通常被許多人視為演進(jìn)道路上的下一步，與它將取代的早期技術(shù)（例如 4G）有著根本的不同。

不出所料，隨著用戶需要使用這項(xiàng)最新技術(shù)，5G NR 市場預(yù)計(jì)將出現(xiàn)非?？焖俚脑鲩L。研究公司 ResearchAndMarkets 估計(jì)1 5G 基礎(chǔ)設(shè)施市場將以每年 55% 的復(fù)合年增長率從 2021 年到 2026 年增長，市場規(guī)模將達(dá)到 1154 億美元。

這種增長的背后是對大量小型蜂窩的需求，以提供 5G NR 采用的更高頻率所需的視線覆蓋。許多地方都可以找到電池，包括街道照明和建筑物——事實(shí)上，幾乎任何有高度和可用功率的地方。功率是 5G 的主要挑戰(zhàn)之一。目前，根據(jù) MTN Consulting 的數(shù)據(jù)，2 4G 電力約占移動(dòng)運(yùn)營商運(yùn)營的 5% 至 6%。5G NR 將需要至少兩倍于 4G 的功率，并且考慮到當(dāng)前能源成本的增加，運(yùn)營成本將顯著上升。

5G電源挑戰(zhàn)

5G 與以前的技術(shù)（2G、3G 和 4G）之間的區(qū)別之一是內(nèi)部基站架構(gòu)。在早期的系統(tǒng)中，功率放大器 (PA) 和電源單元 (PSU) 是完全獨(dú)立的，它們有自己的熱管理系統(tǒng)，通常是散熱器。在 5G NR 中，PSU 很可能會(huì)與遠(yuǎn)程無線電單元 (RRU) 一起集成到 gNodeB 中，以形成有源天線單元 (AAU)——它只有一個(gè)散熱器。

架構(gòu)的變化給電源設(shè)計(jì)帶來了更多挑戰(zhàn)，再加上受限空間、高溫、密封環(huán)境以及對輕量化解決方案的需求等問題，為 5G 設(shè)計(jì) AC/DC 電源解決方案增加了更多復(fù)雜性。PA 的效率通常低于 PSU，這進(jìn)一步加劇了這種情況，這會(huì)提高現(xiàn)在共享散熱器的溫度，從而將 PSU 的工作溫度從約 85?C 提高到接近 100?C。這種升高的溫度可能會(huì)影響可靠性，因?yàn)闊崃渴菍?dǎo)致組件故障的關(guān)鍵因素。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，元件溫度每升高 10°C，PSU 的 MTBF 減半，可以看出，集成可以將 PSU 壽命縮短 50% 到 75%。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橐苿?dòng)運(yùn)營商正在尋求 7 到 10 年的 PSU 壽命，因?yàn)閷⒁渴鸬臄?shù)量巨大，以及接入和更換的難度和成本。

信號完整性是任何基于無線電的系統(tǒng)（例如 5G）的基本要求。但是，集成 PSU 和 RRU 來創(chuàng)建 AAU 會(huì)增加信號干擾的可能性，從而降低系統(tǒng)性能。干擾問題是雙重的。首先，切換 PSU 會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，并且必須將其限制在嚴(yán)格的限制范圍內(nèi)，以確保它們不會(huì)干擾 PA 和/或 RRU。PSU 還必須充分屏蔽，以使 5G 無線電信號不會(huì)干擾其運(yùn)行。

當(dāng)多個(gè)信號通過由不同材料（包括松散的電纜連接、受污染的表面、性能不佳的雙工器或老化的天線）形成的結(jié)點(diǎn)并混合以在同一頻帶內(nèi)產(chǎn)生和信號和差信號時(shí)，無源互調(diào)是一個(gè)問題，從而導(dǎo)致干擾。在設(shè)計(jì)的所有方面都必須考慮到這一點(diǎn)，以確保它不會(huì)成為問題。

應(yīng)對電力挑戰(zhàn)

已經(jīng)采取了各種方法來降低 5G NR 小區(qū)的功耗。一種方法是用功耗較低的 8T8R 或 32T32R 天線替換 64T64R MIMO 天線。雖然這確實(shí)降低了功耗，但也存在性能折衷——而且在許多情況下，額外的 PA 實(shí)際上會(huì)增加功率需求。

圖 3：5G 應(yīng)用中需要對 PSU 進(jìn)行散熱。

許多人認(rèn)為脈沖電源是一種潛在的解決方案。由于 5G 基站能夠分析流量負(fù)載，它可以在流量較少時(shí)進(jìn)入“睡眠模式”。與“永遠(yuǎn)在線”、不斷傳輸參考信號以檢測用戶的 4G 相比，這是一個(gè)顯著優(yōu)勢。然而，即使在睡眠模式下，基本功能也必須保持運(yùn)行——尤其是允許緊急 (911) 呼叫以及確保對時(shí)間敏感的物聯(lián)網(wǎng)流量不中斷。

在解決一些挑戰(zhàn)時(shí)，基礎(chǔ)半導(dǎo)體技術(shù)可以發(fā)揮重要作用。事實(shí)上，半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷一場根本性的變革，以應(yīng)對汽車、可再生能源和 5G 等眾多應(yīng)用快速變化的需求。這些應(yīng)用在惡劣環(huán)境和高溫下要求更高水平的性能、效率和可靠性。

幾十年來，硅一直是半導(dǎo)體器件的中流砥柱。然而，在最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，這種材料正在被新的寬帶隙 (WBG) 材料所取代，包括碳化硅和氮化鎵。更高的電子遷移率帶來了許多好處，這些好處在具有挑戰(zhàn)性的電源應(yīng)用中非常重要。

圖 4：WBG 器件在需要高性能和高效率的應(yīng)用中的優(yōu)勢

使用WBG 器件，靜態(tài)和開關(guān)損耗與等效的 Si 器件相比更低。這提高了效率并允許在更高頻率下運(yùn)行，從而使無源元件更小且更具成本效益。這也有助于減輕重量，這是 5G 毫米波天線的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，因?yàn)檫@些天線通常需要放置在桅桿上以達(dá)到清除障礙物所需的高度。如果天線重量可以降低，那么桅桿的設(shè)計(jì)和部署就更簡單、更靈活、更便宜。

此外，WBG 器件可以在高溫下運(yùn)行，從而提高了可靠性。最后，SiC 和 GaN 還傾向于產(chǎn)生更少的 EMI，這意味著需要更少的濾波和屏蔽——這在 5G 系統(tǒng)中是一個(gè)非常有用的優(yōu)勢。

5G 代表了與以前蜂窩技術(shù)相比的重大變化，更高的頻率導(dǎo)致基站的位置更近并部署更多的小區(qū)。雖然這些變化將提供比以往任何時(shí)候都具有更高吞吐量和更低延遲的強(qiáng)大、高性能通信解決方案，但它們也帶來了重大挑戰(zhàn)——尤其是在功率方面。根據(jù)單元和特定的設(shè)計(jì)要求，5G RAN 部署的 AC/DC 電源要求可以從幾百瓦到幾千瓦不等。

低功率應(yīng)用中使用的 PSU 通常嵌入在天線單元中，并依靠天線來冷卻散熱器和密封外殼以提供 IP 保護(hù)。對于更高功率的應(yīng)用——例如，為基帶單元供電、為無線電單元供電和為現(xiàn)場電池備份單元充電——通常使用更高功率的戶外額定 PSU，每個(gè) PSU 都獨(dú)立于其自己的 IP65 等級外殼中。這些 PSU 可以并聯(lián)以提供更高的輸出功率，幫助用戶配置緊湊的大容量電源系統(tǒng)，提供許多 5G 應(yīng)用所需的超高輸出能力。

最大限度地提高效率對于控制網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本非常重要，該網(wǎng)絡(luò)消耗的能源至少是其前身的兩倍，并確保盡管溫度更高且冷卻機(jī)會(huì)最少，但仍能可靠運(yùn)行。基本架構(gòu)修改可能有助于解決電源挑戰(zhàn)，但不斷變化的結(jié)構(gòu)會(huì)增加干擾的可能性，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能。

該解決方案在于通過脈沖電源實(shí)現(xiàn)智能操作，并實(shí)施包括 WBG 在內(nèi)的新半導(dǎo)體技術(shù)，從而開發(fā)出更加堅(jiān)固、高效和緊湊的電源技術(shù)。

作為專為戶外和惡劣環(huán)境操作而設(shè)計(jì)的高效、高密度、堅(jiān)固的電源解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，Advanced Energy 認(rèn)識到電源在 5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中所扮演的角色。該公司正在研究如何在更高的散熱器溫度下運(yùn)行而不影響產(chǎn)品壽命、如何在脈沖電源運(yùn)行的待機(jī)模式下降低功耗，以及如何利用 WBG 器件來縮小 PSU 以便更容易集成進(jìn)入AAU。

參考

1 2021 年全球 5G 基礎(chǔ)設(shè)施市場報(bào)告：市場預(yù)計(jì)將從 2021 年的 129 億美元增長到 2026 年的 1154 億美元 – ResearchAndMarkets.com。（2021 年 9 月 10 日）。美國商業(yè)資訊。bwnews.pr/3xaHKJU

2 M.沃克。（2020 年 3 月 27 日）?！斑\(yùn)營商面臨電力成本緊縮。” MTN 咨詢。bit.ly/3tqciGt

審核編輯 黃昊宇