《電子技術(shù)應(yīng)用》
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5G電源設(shè)計(jì)師面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

2022-10-25
作者:Dib Nath
來(lái)源:EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)

  目前,4G電源成本約占行動(dòng)營(yíng)運(yùn)商營(yíng)運(yùn)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(yíng)運(yùn)支出成本將會(huì)大幅上升。

  5G新無(wú)線電(5G NR)不是現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施的簡(jiǎn)單升級(jí),而是從根本上有很大不同。透過(guò)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(chǎng)將出現(xiàn)非??焖俚某砷L(zhǎng),因?yàn)槭褂谜咝枰@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(chǎng)的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)將高達(dá)55%,市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1,154億美元。

  這種成長(zhǎng)的背后意味著需要大量小型基地臺(tái)(small cell),來(lái)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(tái)架構(gòu),并降低整體尺寸和重量。蜂巢單元將會(huì)隨處可見(jiàn),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(dòng)營(yíng)運(yùn)商營(yíng)運(yùn)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(yíng)運(yùn)支出成本將會(huì)大幅上升。

  

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圖1:5G小型基地臺(tái)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(tái)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(kāi)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(huì)與遠(yuǎn)程無(wú)線單元(RRU)一起被整合到gNodeB中,形成一個(gè)主動(dòng)天線元(AAU),并將只有一個(gè)散熱器。

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圖2:5G和上一代基地臺(tái)內(nèi)部架構(gòu)之間的差異。(來(lái)源:IEEE)

  架構(gòu)的變化本身就為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)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(wèn)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(jìn)一步加劇了這種情況,因?yàn)檫@會(huì)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?yàn)檫^(guò)熱是導(dǎo)致組件故障的主要因素。

  根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,組件溫度每升高10℃,PSU的MTBF就會(huì)減半,由此可以看出,整合會(huì)使PSU壽命縮短50~75%。這一點(diǎn)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(dòng)營(yíng)運(yùn)商正在尋求壽命可達(dá)到7~10年的PSU。

  訊號(hào)完整性是5G等任何無(wú)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(hào)干擾的可能性,這將降低系統(tǒng)性能。干擾問(wèn)題是雙重的,首先,開(kāi)關(guān)PSU會(huì)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(huì)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(wú)線訊號(hào)的干擾。

  當(dāng)多個(gè)訊號(hào)透過(guò)不同材料的各種接頭時(shí)(包括電纜連接松動(dòng)、導(dǎo)體表面受污染、雙工器性能變差或天線老化),被動(dòng)互調(diào)也是一個(gè)問(wèn)題。此時(shí)會(huì)透過(guò)混頻產(chǎn)生同一頻段內(nèi)的和差訊號(hào),從而引起干擾。在設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都必須考慮到這一點(diǎn),以確保它不會(huì)成為問(wèn)題。

  應(yīng)對(duì)電源挑戰(zhàn)

  業(yè)界已經(jīng)采取了各種方法來(lái)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(shí)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(shí)際上也會(huì)增加功耗需求。

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  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(tái)能夠分析流量負(fù)載,因此當(dāng)流量較小時(shí),它可以進(jìn)入“睡眠模式”。這是相對(duì)于4G的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì),4G是“永遠(yuǎn)開(kāi)啟”(always on),不斷發(fā)送基準(zhǔn)訊號(hào)來(lái)檢測(cè)用戶。然而,即使在睡眠模式下,基本功能也必須保持運(yùn)作,不僅要保證像119這類的緊急呼叫,還要確保對(duì)時(shí)間敏感的物聯(lián)網(wǎng)流量不會(huì)中斷。

  在應(yīng)對(duì)一些挑戰(zhàn)時(shí),底層半導(dǎo)體技術(shù)扮演著重要的角色。事實(shí)上,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)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(lái),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(lái)了許多顯著的優(yōu)勢(shì)。

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圖4:WBG組件在高性能和高效率應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

  與硅組件相比,WBG組件的靜態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗較低,從而提高了效率,并允許工作頻率更高,進(jìn)而使得被動(dòng)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(gè)關(guān)鍵考慮因素,因?yàn)檫@些天線通常需要安裝在桿子上,以達(dá)到避開(kāi)障礙物所需的高度。如果天線重量降低,則天線桿的設(shè)計(jì)和安裝會(huì)更簡(jiǎn)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(tái)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(gè)穩(wěn)定的、高性能的通訊解決方案,能夠提供比以往任何時(shí)候都更高的吞吐率和更低的延遲,但它們也帶來(lái)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(jì)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(jìn)行散熱,并密封外殼進(jìn)行IP保護(hù)。對(duì)于更高功率的應(yīng)用,例如為基頻單元供電、為無(wú)線單元供電,以及為現(xiàn)場(chǎng)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(gè)PSU都安裝在防護(hù)等級(jí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)成本的控制而言,最大限度地提高效率至關(guān)重要,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)消耗的能源至少是其前身的兩倍,同時(shí)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(yùn)作?;窘Y(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(huì)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(guò)脈沖功率實(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(kāi)發(fā)出更堅(jiān)固、高效和緊湊的電源技術(shù)。


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