5G提供高性能且稳定的通信解决方案,但5G架构也为电源设计带来了挑战,再加上空间小、温度高、密封环境以及要求重量更轻等制约,使电源设计更加复杂。除了采用低功耗天线外,具有“睡眠模式”的脉冲电源是一种有潜力的解决方案。另外,包括碳化硅和氮化镓等宽带隙(WBG)材料的引用,也可有效应对5G电源面临的挑战。

5G新无线电(5G NR) 不是现有4G基础设施的简单升级,而是从根本上有很大不同。通过采用多用户MIMO、集成接入和回程以及频率高达71 GHz的毫米波(mmWave)波束成形,5G NR能够提供超高水平的连接性、高达数千兆的速率和仅约1毫秒的超低延迟。

不出所料的话,5G NR市场将出现非常快速的增长,因为用户需要这一最新技术。研究公司ResearchAndMarkets估计,从2021年到2026年,5G基础设施市场的年度复合增长率将高达55%,市场规模将达到1154亿美元。

这种增长的背后意味着需要大量小蜂窝,来提供5G NR所用的高频率所必需的视距覆盖,这就需要改变蜂窝基站架构,并降低整体尺寸和重量。蜂窝单元将会随处可见,包括街道灯杆和建筑上面,几乎可以是有一定高度和可用电源的任何地方。电源是5G面临的关键挑战之一。目前,据MTN咨询公司称,4G电源成本约占移动运营商运营成本的5%至6%。而5G NR所需要的电源至少是4G的两倍,再考虑到当前能源成本的增加,运营支出成本将会大幅上升。

图1:5G小蜂窝示意图。

5G电源挑战

5G与之前的2G、3G和4G的区别在于内部基站架构。在早期的系统中,功率放大器(PA)和电源单元(PSU)是完全分开的,有自己的热管理系统,通常是散热器。而在5G NR中,PSU很可能会与远程无线单元(RRU)一起被集成到gNodeB中,形成一个有源天线单元(AAU),并将只有一个散热器。

图2:5G和上一代基站内部架构之间的差异。(资料来源:IEEE)

架构的变化本身就为电源设计带来了更多挑战,再加上空间小、温度高、密封环境以及要求重量更轻等问题,为5G 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,这更进一步加剧了这种情况,因为这会提高共享散热器的温度,使PSU工作温度从大约85°C提高到接近100˚。温度的提高将影响可靠性,因为过热是导致器件故障的主要因素。

根据经验法则,器件温度每升高10°C,PSU的MTBF就会减半,由此可以看出,集成会使PSU寿命缩短50%至75%。这一点很重要,由于部署的数量太大,还有入网和更换难度及成本太高,故移动运营商正在寻求寿命可达到7到10年的PSU。

信号完整性是5G等任何无线系统的基本要求。然而,为构建AAU而集成PSU和RRU,增加了信号干扰的可能性,这将降低系统性能。干扰问题是双重的。首先,开关PSU会产生电磁干扰(EMI),必须严格限制这些干扰,以确保它们不会干扰PA和/或RRU。PSU还必须有足够的屏蔽性能,以确保其工作免于5G无线信号的干扰。

当多个信号通过不同材料的各种接头时(包括电缆连接松动、导体表面受污染、双工器性能变差或天线老化),无源互调也是一个问题。此时会通过混频产生同一频带内的和差信号,从而引起干扰。在设计的各个方面都必须考虑到这一点,以确保它不会成为问题。

应对电源挑战

已经采取了各种方法来降低5G NR蜂窝单元的功耗。一种方法是用耗电较少的8T8R或32T32R天线替换64T64R MIMO天线。虽然这确实降低了功耗,但也导致性能上的折衷,而且在许多情况下,额外的PA实际上也会增加功耗需求。

图3:5G应用中需要的PSU散热。

许多人认为脉冲电源是一种有潜力的解决方案。由于5G基站能够分析流量负载,因此当流量较小时,它可以进入“睡眠模式”。这是相对于4G的一个显著优势,4G是“永远在线”,不断发送基准信号来检测用户。然而,即使在睡眠模式下,基本功能也必须保持运行,不仅要保证像119这类的紧急呼叫,还要确保对时间敏感的物联网流量不会中断。

在应对一些挑战时,底层半导体技术扮演着重要的角色。事实上,半导体行业正在经历一场根本性变革,以满足汽车、可再生能源和5G等众多应用的快速变化需求。这些应用要求在恶劣环境和高温下具有更高的性能、效率和可靠性。

几十年来,硅材料一直是半导体器件的支柱。然而,在最具挑战性的应用中,这种材料正被新的宽带隙(WBG)材料所取代,包括碳化硅和氮化镓。更高的电子迁移率为具有挑战性的电源应用环境带来了许多显著的优势。

图4:WBG器件在高性能和高效率应用中的优势。

与硅器件相比,WBG器件的静态和开关损耗较低,从而提高了效率,并允许工作频率更高,进而使得无源元件更小、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安装在杆子上,以达到避开障碍物所需的高度。如果天线重量降低,则天线杆的设计和安装会更简单、更灵活、且更便宜。

此外,WBG器件可以在高温下工作,这增加了可靠性。最后,SiC和GaN产生的EMI也较少,这意味着需要更少的滤波和屏蔽,这在5G系统中也非常有用。

5G代表了蜂窝技术的重大变革,更高的频率导致基站的位置更近,需要部署更多的蜂窝单元。虽然这些变革将提供一个稳定的、高性能的通信解决方案,能够提供比以往任何时候都更高的吞吐率和更低的延迟,但它们也带来了巨大的挑战,尤其是在电源方面。根据蜂窝单元和具体设计要求,5G RAN部署的AC/DC电源要求从几百瓦到数千瓦不等。

低功率应用中使用的PSU通常嵌入在天线单元中,并依靠天线进行散热。并密封外壳进行IP保护。对于更高功率的应用,例如为基带单元供电、为无线单元供电以及为现场备用电池单元充电,通常使用额定功率更高的户外型PSU电源,每个PSU都安装在防护等级为IP65的外壳内。这些PSU可以并联使用,以提供更高的输出功率,帮助用户配置紧凑型大容量电源系统,为许多5G应用提供非常高的输出能力。

对网络运营成本的控制而言,最大限度地提高效率至关重要,因为网络消耗的能源至少是其前身的两倍,同时确保网络在温度更高、冷却条件更差的情况下也能可靠运行。基本结构改变可能有助于解决电源挑战,但改变结构会增加干扰的可能性,从而降低网络性能。

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

作为专门设计用于户外和恶劣环境的高效率、高密度、坚固耐用电源解决方案领先提供商,Advanced Energy认识到电源在5G基础设施建设中的作用。该公司正在研究不影响产品寿命情况下能够在更高散热器温度下工作的方法,脉冲电源待机模式中降低功耗的方法,以及利用WBG设备缩小PSU以便更容易集成到AAU中的方法。 

(参考原文:Power Designers Face Challenges with the Rise of 5G

本文为《电子工程专辑》2022年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Jimmy.zhang
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