5G提供高性能且穩定的通信解決方案，但5G架構也為電源設計帶來了挑戰，再加上空間小、溫度高、密封環境以及要求重量更輕等制約，使電源設計更加復雜。除了采用低功耗天線外，具有“睡眠模式”的脈沖電源是一種有潛力的解決方案。另外，包括碳化硅和氮化鎵等寬帶隙(WBG)材料的引用，也可有效應對5G電源面臨的挑戰。
5G新無線電(5G NR) 不是現有4G基礎設施的簡單升級，而是從根本上有很大不同。通過采用多用戶MIMO、集成接入和回程以及頻率高達71 GHz的毫米波(mmWave)波束成形，5G NR能夠提供超高水平的連接性、高達數千兆的速率和僅約1毫秒的超低延遲。
不出所料的話，5G NR市場將出現非常快速的增長，因為用戶需要這一最新技術。研究公司ResearchAndMarkets估計，從2021年到2026年，5G基礎設施市場的年度復合增長率將高達55%，市場規模將達到1154億美元。
這種增長的背后意味著需要大量小蜂窩，來提供5G NR所用的高頻率所必需的視距覆蓋，這就需要改變蜂窩基站架構，并降低整體尺寸和重量。蜂窩單元將會隨處可見，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面臨的關鍵挑戰之一。目前，據MTN咨詢公司稱，4G電源成本約占移動運營商運營成本的5%至6%。而5G NR所需要的電源至少是4G的兩倍，再考慮到當前能源成本的增加，運營支出成本將會大幅上升。
圖1：5G小蜂窩示意圖。
5G電源挑戰
5G與之前的2G、3G和4G的區別在于內部基站架構。在早期的系統中，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，通常是散熱器。而在5G NR中，PSU很可能會與遠程無線單元(RRU)一起被集成到gNodeB中，形成一個有源天線單元(AAU)，并將只有一個散熱器。
圖2：5G和上一代基站內部架構之間的差異。(資料來源:IEEE)
架構的變化本身就為電源設計帶來了更多挑戰，再加上空間小、溫度高、密封環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°C提高到接近100?。溫度的提高將影響可靠性，因為過熱是導致器件故障的主要因素。
根據經驗法則，器件溫度每升高10°C，PSU的MTBF就會減半，由此可以看出，集成會使PSU壽命縮短50%至75%。這一點很重要，由于部署的數量太大，還有入網和更換難度及成本太高，故移動運營商正在尋求壽命可達到7到10年的PSU。
信號完整性是5G等任何無線系統的基本要求。然而，為構建AAU而集成PSU和RRU，增加了信號干擾的可能性，這將降低系統性能。干擾問題是雙重的。首先，開關PSU會產生電磁干擾(EMI)，必須嚴格限制這些干擾，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無線信號的干擾。
當多個信號通過不同材料的各種接頭時(包括電纜連接松動、導體表面受污染、雙工器性能變差或天線老化)，無源互調也是一個問題。此時會通過混頻產生同一頻帶內的和差信號，從而引起干擾。在設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。
應對電源挑戰
已經采取了各種方法來降低5G NR蜂窩單元的功耗。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應用中需要的PSU散熱。
許多人認為脈沖電源是一種有潛力的解決方案。由于5G基站能夠分析流量負載，因此當流量較小時，它可以進入“睡眠模式”。這是相對于4G的一個顯著優勢，4G是“永遠在線”，不斷發送基準信號來檢測用戶。然而，即使在睡眠模式下，基本功能也必須保持運行，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網流量不會中斷。
在應對一些挑戰時，底層半導體技術扮演著重要的角色。事實上，半導體行業正在經歷一場根本性變革，以滿足汽車、可再生能源和5G等眾多應用的快速變化需求。這些應用要求在惡劣環境和高溫下具有更高的性能、效率和可靠性。
幾十年來，硅材料一直是半導體器件的支柱。然而，在最具挑戰性的應用中，這種材料正被新的寬帶隙(WBG)材料所取代，包括碳化硅和氮化鎵。更高的電子遷移率為具有挑戰性的電源應用環境帶來了許多顯著的優勢。
圖4：WBG器件在高性能和高效率應用中的優勢。
與硅器件相比，WBG器件的靜態和開關損耗較低，從而提高了效率，并允許工作頻率更高，進而使得無源元件更小、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鍵考慮因素，因為這些天線通常需要安裝在桿子上，以達到避開障礙物所需的高度。如果天線重量降低，則天線桿的設計和安裝會更簡單、更靈活、且更便宜。
此外，WBG器件可以在高溫下工作，這增加了可靠性。最后，SiC和GaN產生的EMI也較少，這意味著需要更少的濾波和屏蔽，這在5G系統中也非常有用。
5G代表了蜂窩技術的重大變革，更高的頻率導致基站的位置更近，需要部署更多的蜂窩單元。雖然這些變革將提供一個穩定的、高性能的通信解決方案，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，尤其是在電源方面。根據蜂窩單元和具體設計要求，5G RAN部署的AC/DC電源要求從幾百瓦到數千瓦不等。
低功率應用中使用的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。對于更高功率的應用，例如為基帶單元供電、為無線單元供電以及為現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。這些PSU可以并聯使用，以提供更高的輸出功率，幫助用戶配置緊湊型大容量電源系統，為許多5G應用提供非常高的輸出能力。
對網絡運營成本的控制而言，最大限度地提高效率至關重要，因為網絡消耗的能源至少是其前身的兩倍，同時確保網絡在溫度更高、冷卻條件更差的情況下也能可靠運行?；窘Y構改變可能有助于解決電源挑戰，但改變結構會增加干擾的可能性，從而降低網絡性能。
解決方案在于通過脈沖功率實現智能操作，并實施包括WBG在內的新半導體技術，從而開發出更堅固、高效和緊湊的電源技術。
作為專門設計用于戶外和惡劣環境的高效率、高密度、堅固耐用電源解決方案領先提供商，Advanced Energy認識到電源在5G基礎設施建設中的作用。該公司正在研究不影響產品壽命情況下能夠在更高散熱器溫度下工作的方法，脈沖電源待機模式中降低功耗的方法，以及利用WBG設備縮小PSU以便更容易集成到AAU中的方法。
(參考原文：Power Designers Face Challenges with the Rise of 5G ）
本文為《電子工程專輯》2022年11月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜志訂閱
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