目前，4G電源成本約占行動營運商營運成本的5~6%，而5G NR所需要的電源至少是4G的兩倍，再考慮到當(dāng)前能源成本的增加，營運支出成本將會大幅上升。
5G新無線電(5G NR)不是現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施的簡單升級，而是從根本上有很大不同。透過采用多用戶MIMO、整合接入和回程，以及頻率高達(dá)71GHz的毫米波(mmWave)波束成形，5G NR能夠提供超高水平的連接性、高達(dá)數(shù)Gb的速率和僅約1毫秒的超低延遲。
不出所料的話，5G NR市場將出現(xiàn)非常快速的成長，因為使用者需要這一最新技術(shù)。研究公司ResearchAndMarkets預(yù)估，從2021年到2026年，5G基礎(chǔ)設(shè)施市場的年復(fù)合成長率(CAGR)將高達(dá)55%，市場規(guī)模將達(dá)1,154億美元。
這種成長的背后意味著需要大量小型基地臺(small cell)，來提供5G NR所用的高頻率所必需的視距覆蓋，這就需要改變蜂巢基地臺架構(gòu)，并降低整體尺寸和重量。蜂巢單元將會隨處可見，包括街道燈桿和建筑上面，幾乎可以是有一定高度和可用電源的任何地方。電源是5G面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，目前，據(jù)MTN咨詢公司稱，4G電源成本約占行動營運商營運成本的5~6%。而5G NR所需要的電源至少是4G的兩倍，再考慮到當(dāng)前能源成本的增加，營運支出成本將會大幅上升。
圖1：5G小型基地臺示意圖。
5G電源挑戰(zhàn)
5G與之前的2G、3G和4G的區(qū)別在于內(nèi)部基地臺架構(gòu)。在早期的系統(tǒng)中，功率放大器(PA)和電源單元(PSU)是完全分開的，有自己的熱管理系統(tǒng)，通常是散熱器。而在5G NR中，PSU很可能會與遠(yuǎn)程無線單元(RRU)一起被整合到gNodeB中，形成一個主動天線元(AAU)，并將只有一個散熱器。
圖2：5G和上一代基地臺內(nèi)部架構(gòu)之間的差異。(來源：IEEE)
架構(gòu)的變化本身就為電源設(shè)計帶來了更多挑戰(zhàn)，再加上空間小、溫度高、密封環(huán)境，以及要求重量更輕等問題，為5G 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，這更進一步加劇了這種情況，因為這會提高共享散熱器的溫度，使PSU工作溫度從大約85℃提高到接近100℃。溫度的提高將影響可靠性，因為過熱是導(dǎo)致組件故障的主要因素。
根據(jù)經(jīng)驗法則，組件溫度每升高10℃，PSU的MTBF就會減半，由此可以看出，整合會使PSU壽命縮短50~75%。這一點很重要，由于部署的數(shù)量太大，還有入網(wǎng)和更換難度及成本太高，因此行動營運商正在尋求壽命可達(dá)到7~10年的PSU。
訊號完整性是5G等任何無線系統(tǒng)的基本要求。然而，為建構(gòu)AAU而整合PSU和RRU，增加了訊號干擾的可能性，這將降低系統(tǒng)性能。干擾問題是雙重的，首先，開關(guān)PSU會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，必須嚴(yán)格限制這些干擾，以確保它們不會干擾PA和/或RRU。PSU還必須有足夠的屏蔽性能，以確保其工作免于5G無線訊號的干擾。
當(dāng)多個訊號透過不同材料的各種接頭時(包括電纜連接松動、導(dǎo)體表面受污染、雙工器性能變差或天線老化)，被動互調(diào)也是一個問題。此時會透過混頻產(chǎn)生同一頻段內(nèi)的和差訊號，從而引起干擾。在設(shè)計的各個方面都必須考慮到這一點，以確保它不會成為問題。
應(yīng)對電源挑戰(zhàn)
業(yè)界已經(jīng)采取了各種方法來降低5G NR蜂巢單元的功耗。一種方法是用耗電較少的8T8R或32T32R天線替換64T64R MIMO天線。雖然這確實降低了功耗，但也導(dǎo)致性能上的折衷，而且在許多情況下，額外的PA實際上也會增加功耗需求。
圖3：5G應(yīng)用中需要的PSU散熱。
許多人認(rèn)為脈沖電源是一種有潛力的解決方案。由于5G基地臺能夠分析流量負(fù)載，因此當(dāng)流量較小時，它可以進入“睡眠模式”。這是相對于4G的一個顯著優(yōu)勢，4G是“永遠(yuǎn)開啟”(always on)，不斷發(fā)送基準(zhǔn)訊號來檢測用戶。然而，即使在睡眠模式下，基本功能也必須保持運作，不僅要保證像119這類的緊急呼叫，還要確保對時間敏感的物聯(lián)網(wǎng)流量不會中斷。
在應(yīng)對一些挑戰(zhàn)時，底層半導(dǎo)體技術(shù)扮演著重要的角色。事實上，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場根本性變革，以滿足汽車、可再生能源和5G等眾多應(yīng)用的快速變化需求。這些應(yīng)用要求在惡劣環(huán)境和高溫下具有更高的性能、效率和可靠性。
幾十年來，硅一直是半導(dǎo)體組件的支柱。然而，在最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，這種材料正被新的寬能隙(WBG)材料所取代，包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，其更高的電子遷移率為具有挑戰(zhàn)性的電源應(yīng)用環(huán)境帶來了許多顯著的優(yōu)勢。
圖4：WBG組件在高性能和高效率應(yīng)用中的優(yōu)勢。
與硅組件相比，WBG組件的靜態(tài)和開關(guān)損耗較低，從而提高了效率，并允許工作頻率更高，進而使得被動組件更小、更具成本效益。這也有助于減輕重量，這是5G毫米波天線的一個關(guān)鍵考慮因素，因為這些天線通常需要安裝在桿子上，以達(dá)到避開障礙物所需的高度。如果天線重量降低，則天線桿的設(shè)計和安裝會更簡單、更靈活且更便宜。
此外，WBG組件可以在高溫下工作，這增加了可靠性。最后，SiC和GaN產(chǎn)生的EMI也較少，這意味著需要更少的濾波和屏蔽，這在5G系統(tǒng)中也非常有用。
5G代表了蜂巢技術(shù)的重大變革，更高的頻率導(dǎo)致基地臺的位置更近，需要部署更多的蜂巢單元。雖然這些變革將提供一個穩(wěn)定的、高性能的通訊解決方案，能夠提供比以往任何時候都更高的吞吐率和更低的延遲，但它們也帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在電源方面。根據(jù)蜂巢單元和具體設(shè)計要求，5G RAN部署的AC/DC電源要求從幾百瓦到數(shù)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，并依靠天線進行散熱，并密封外殼進行IP保護。對于更高功率的應(yīng)用，例如為基頻單元供電、為無線單元供電，以及為現(xiàn)場備用電池單元充電，通常使用額定功率更高的戶外型PSU電源，每個PSU都安裝在防護等級為IP65的外殼內(nèi)。這些PSU可以并聯(lián)使用，以提供更高的輸出功率，協(xié)助用戶配置緊湊型大容量電源系統(tǒng)，為許多5G應(yīng)用提供非常高的輸出能力。
對網(wǎng)絡(luò)營運成本的控制而言，最大限度地提高效率至關(guān)重要，因為網(wǎng)絡(luò)消耗的能源至少是其前身的兩倍，同時確保網(wǎng)絡(luò)在溫度更高、冷卻條件更差的情況下也能可靠運作。基本結(jié)構(gòu)改變可能有助于解決電源挑戰(zhàn)，但改變結(jié)構(gòu)會增加干擾的可能性，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能。
解決方式是在透過脈沖功率實現(xiàn)智能操作，并實施包括WBG在內(nèi)的新半導(dǎo)體技術(shù)，從而開發(fā)出更堅固、高效和緊湊的電源技術(shù)。
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