【導(dǎo)讀】5G 基站的數(shù)量以及能源消耗呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因此高效供電變得非常重要。本文將討論這個(gè)主題，并且針對(duì)電源模塊如何為基站提供高功率密度和可靠的性能提出了一些解決方案。
根據(jù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì) GSMA 提供的數(shù)據(jù)，5G 目前正在順利推廣中，預(yù)計(jì)將在 2025 年覆蓋全球三分之一的人口。另外根據(jù)全球領(lǐng)先綜合數(shù)據(jù)庫(kù)Statista 的調(diào)查，主要手機(jī)制造商皆已推出 5G 手機(jī)，這將使那些希望以理論上高達(dá) 50Gb/s 的最大速度傳輸數(shù)據(jù)流和視頻的人感到滿意，預(yù)計(jì)到 2023 年全球 5G 訂閱量將達(dá)到 13 億 。然而，5G 不僅僅是速度更快的智能手機(jī)，它還是人工智能、云計(jì)算、自動(dòng)駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、智慧城市和工業(yè)，以及更多可能還沒(méi)有想到的應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)。由此可見(jiàn)，將會(huì)有高額資金投入新的 5G 基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將尋求最快的回報(bào)，而Statista 估計(jì)通訊服務(wù)領(lǐng)域光是在 2021 年就將花費(fèi) 1.4 萬(wàn)億美元。
5G 最終可能使用 70GHz 以上的頻段
5G 基礎(chǔ)設(shè)施不僅僅是對(duì) 4G 的升級(jí)，就本質(zhì)而言，5G 的峰值性能使用更高的頻率但覆蓋范圍更小，因此需要更多的蜂窩小區(qū)。有三個(gè)頻段：低、中和高，大多數(shù)使用 2.5 – 3.7GHz 的中頻段，速度高達(dá) 900Mb/s。低頻段使用與 4G 相似的頻率、范圍和覆蓋率，因此它幾乎沒(méi)有提供額外的優(yōu)勢(shì)，但可用在低流量區(qū)域以快速實(shí)現(xiàn)基本但廣泛的覆蓋范圍。高頻段工作在 70GHz 以上，提供最快的數(shù)據(jù)速率但覆蓋范圍十分有限，可能只有 1.5 公里，因此它是體育館、商場(chǎng)和會(huì)議中心等公共場(chǎng)所的首選。這些地方的流量可能很高，但基站可能很小并且分布在限制的區(qū)域內(nèi)，使用「波束成形」技術(shù)以提供良好的覆蓋范圍。
因此，蜂窩小區(qū)分成城域、微型、微微和毫微微的類別，功率輸出和范圍依次越來(lái)越小，從傳輸超過(guò) 100W 的多輸入多輸出 (MIMO) 城域蜂窩到以毫瓦運(yùn)行的毫微微蜂窩。「小蜂窩」這個(gè)術(shù)語(yǔ)包含了三個(gè)最小的類別。 隨著吞吐量和基站數(shù)量的增加，能源消耗注定上升，一些報(bào)告預(yù)測(cè)會(huì)比 4G 高出一倍。由于能源是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的主要成本（根據(jù) MTN consulting ，占4G 的5% 至 6%），因此提高基站電子設(shè)備中器件的工作效率是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
射頻功率放大器的效率不高
基站中效率特別低的地方是射頻功率放大器（圖 1），以前射頻功率放大器使用LDMOS在幾GHz射頻頻段提供千瓦級(jí)的能量，但是為了在 5G 的高頻率下實(shí)現(xiàn)更高的效率，越來(lái)越多選擇使用適合安裝在低功率/大容量小蜂窩的氮化鎵 (GaN)。LDMOS 通常由 26-32V 直流供電，GaN 則是 50-60V。射頻功率放大器的效率仍然不高，最高只能到 60%，因此從電池系統(tǒng)（例如 48V）儲(chǔ)存的能量中擷取能夠使用的能源都是珍貴的。
RPA150E 系列是一款適用于5G 功率放大器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 。電源具有電隔離，因此輸入電壓接受 -48VDC 或 -24VDC的電信電源，輸出端相對(duì)于地端為正（圖 1）。RPA50E 可連續(xù)提供 150W 和高達(dá) 200W 的峰值功率來(lái)為輸出射頻功率放大器供電，標(biāo)稱輸出電壓可微調(diào) ±20% 以提供最佳電源電壓以實(shí)現(xiàn)最高效率。1/8 磚的尺寸相對(duì)于額定功率來(lái)說(shuō)占地空間非常小，采用基板冷卻可以在高溫下無(wú)需降額。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器在 5G 應(yīng)用中的一個(gè)重要特性是具有低靜態(tài)功耗以及可以設(shè)定低功耗關(guān)閉模式。4G 即使沒(méi)有用戶流量也會(huì)持續(xù)傳輸系統(tǒng)信息和同步/參考信號(hào)，而5G 定義了「進(jìn)階睡眠模式」 (ASMs) 以實(shí)現(xiàn)最小化的平均功耗。省電會(huì)有延遲的缺點(diǎn)，但可以節(jié)省約 50% 所以極具吸引力。因此，系統(tǒng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器配有低功耗關(guān)斷功能變得十分重要。RPA150E 也非常適合與電池供電的電源搭配使用，轉(zhuǎn)換效率 >91%，待機(jī)功耗僅 3mA。
「包絡(luò)跟蹤」越來(lái)越常用來(lái)改變射頻功率放大器電源電壓以匹配調(diào)制信號(hào)的幅度來(lái)提高系統(tǒng)效率，但這必須達(dá)到 MHz 的頻率，因此任何DC/DC 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)功能都不夠快。使用 GaN 晶體管的外部包絡(luò)跟蹤電路來(lái)進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)跟蹤，可以輕松地將漏極電流脈沖至射頻放大器（圖 1）。.
圖 1：典型 5G 基站射頻使用包絡(luò)跟蹤以實(shí)現(xiàn)最高效率（僅顯示 MIMO 的一個(gè)通道）
基站的數(shù)字和模擬電子設(shè)備都需要電源
基站里面的電子設(shè)備包含低噪聲模擬信號(hào)和數(shù)字處理，常見(jiàn)的有 CPU、FPGA、SoC 設(shè)備、ADC、DAC 等。這些器件需要的供電電壓范圍涵蓋了 DAC 的 +5V 、處理器或 FPGA 的低于 1V，同時(shí)也會(huì)采用非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器 (PoL) 或「電源模塊」在適當(dāng)?shù)呢?fù)載提供準(zhǔn)確的低噪聲電壓。PoL 的輸入電壓可以來(lái)自于 48V 電源系統(tǒng)或是更常見(jiàn)的 12V 穩(wěn)壓中間總線。
5G 基站中的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電源模塊通常在惡劣環(huán)境中工作，例如有極端溫度、雷擊和其他設(shè)備造成的瞬變、高射頻場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，不僅外殼要小價(jià)格也要夠低廉。可靠性至關(guān)重要因?yàn)橐苊獠槐匾木S護(hù)費(fèi)用，電效率必須夠高以維持低能源成本和盡量減少其他器件的發(fā)熱負(fù)擔(dān)。
RECOM 的產(chǎn)品組合也提供非隔離電源模塊，其中包含使用公司的「3D 電源封裝?」技術(shù)的超緊湊的高效電源。
RECOM RPX-1.0 和 RPX-1.5 系列采用薄型 QFN 封裝，極小的封裝面積僅 3 x 5mm。該電源采用倒裝芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)極高的功率密度，額定輸出為 1A 或 1.5A，可在 0.8-30V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸入電壓范圍為 4-36V。RPX-2.5 的封裝面積只大一點(diǎn)（4 x 4.5mm），提供 2.5A 輸出電流。如果電源高度不受限制，RPX-4.0 可提供高達(dá) 4A 輸出電流，封裝尺寸為 5 x 5.5 x 4. 1mm。這些轉(zhuǎn)換器皆配備集成電感并具有全面保護(hù)功能（UVLO、SCP、OCP、OTP），只需要安裝輸出電壓設(shè)置電阻以及輸入和輸出電容即可形成一個(gè)完整的電源。
圖 2：RECOM RPX 系列電源模塊雖小但額定輸出高達(dá) 4A
在高達(dá) 6A 的輸出電流下可選擇RPM 系列，輸入電壓范圍為 4-15V，輸出可調(diào)范圍為 0.9-6V。效率在 99% 時(shí)達(dá)到峰值，因此電源能在高達(dá) 90°C 的環(huán)境溫度下可靠工作，無(wú)需強(qiáng)制風(fēng)冷。
如果電路板空間很有限，RPL-3.0 系列是理想的選擇。該系列的輸入電壓范圍為 4-18 VDC，輸出電壓可在 0.8 VDC 至 5.2 VDC 之間調(diào)節(jié)。最大連續(xù)輸出電流為 3A，這對(duì)尺寸僅 3 x 3 x 1.45mm 的轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)是非常出色的。
以上提到的所有電源都有全面保護(hù)和監(jiān)控功能，包括 5G 基站休眠時(shí)可通過(guò)關(guān)機(jī)控制進(jìn)行節(jié)能。圖 3 顯示了不同系列的功率范圍。
圖 3：RECOM 提供的超小型 LGA 電源模塊系列
5G 有望大幅提升通信性能、開(kāi)發(fā)出令人為之振奮的新應(yīng)用。然而，為了 5G 的可行性以及降低對(duì)環(huán)境的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也意識(shí)到必須將能耗降到最低。使用具有高效率和高功率密度、同時(shí)適用于惡劣環(huán)境的可靠電源轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。RECOM 可以為不同的應(yīng)用提供各種合適的轉(zhuǎn)換器。
文獻(xiàn):
[1] GSMA: Global System for Mobile Communications: http://www.gsma.com
[2] http://www.statista.com/topics/3447/5g
[3] http://www.mtnconsulting.biz/product/operators-facing-power-cost-crunch/
[4] https://recom-power.com/rec-s-RPA150E-EW.html
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