每个5G设备都需要一系列功率转换级，用于射频放大器和数据处理，并对可靠性和性能提出要求
作者：Jon Cooper，技术经理，Avnet Abacus
 
我们都期待着5G移动通信和承诺的好处——理论上比50Gps更快的下载速度，比4G低50倍的延迟，为家庭和工厂自动化开放物联网，当然还有对自动车辆的控制。据一份爱立信移动报告预测，到2025年，全球范围内由此产生的数据流量预计将达到160 EB左右，随着连接设备将超过每平方公里100万台，其中许多设备处于运行状态，提供足够的覆盖是未来的一大担忧。传统的大功率基站可能会留下没有信号的“黑点”，而且，由于5G中使用的频率较高，目前约为4GHz，由于有效范围较短，问题可能更严重。随着频谱的开放，毫米波段的频率将更高，而实现更好覆盖的唯一可行解决方案是建立覆盖更小区域的低功率“微型”电池网络，例如安装在电线杆上或办公室和公共建筑的室内。
这意味着部署的设备将得到广泛的扩展，所需的电力也将增加；5G预计需要比典型4G基站需要两倍或更多的电力。这一增长，伴随着网络的扩大，意味着运营商面临着能源消耗的大幅增长，相应的财务成本和全球环境影响。因此，要使基站从宏观到微观，尽可能节能，压力很大。此外，效率更高，导致更小和更轻的设备，更容易安装和维护，在理想情况下只需要一个人。
 
有效地为射频放大器供电
基站射频输出功率从以毫瓦级运行的“femto”单元到通常高达10W的“小型”单元，到最大5G MIMO（多输入多输出）阵列的100W多一点。GHz频率下的射频功率放大器（PA）固有地不是非常有效，通常为50-60%，因此仅PA就可以消耗250W左右。此数字为一个放大器，在典型的5G基站站点，根据华为的数据，总功耗可以超过11.5kW，包括传统的2/3/4G射频以及所有数据处理和控制电路（图1）。
 

图1：基站能耗上升（华为数据）
 
针对功率放大器的功率要求，电压轨需要低噪声和严格控制，尽管下游的“包络跟踪”可用于提高放大器效率。LDMOS功率晶体管的使用频率高达4GHz左右，功率等级为kW，通常需要26-32V的电源，对于更高频率，氮化镓（GaN）器件将以50-60V的轨道为主，功率能力高达数百瓦，效率高于LDMOS。这些电压是由隔离的DC-DC转换器产生的，该转换器由带有备用电池的系统48V轨供电。
 
具有典型“电信”输入范围的DC-DC转换器是合适的，并且通常采用适合应用环境的基板冷却“砖块”格式——射频功率放大器通常位于密封盒中的天线头处，仅通过外壳传导冷却到外部空气。在可能的安装范围内，电子设备可能需要在零度以下的温度下启动，并在阳光充足的情况下以满功率运行。为了应对这些极端情况，射频功率放大器及其电源和控制电路可能需要指定在85°C。幸运的是，大多数基板冷却的DC-DC转换器的额定温度至少为这个温度，或者降额后相当高，而同类设备可以实现高于95%的效率，对内部温升的贡献很小（图2）。


图2：基板冷却DC-DC转换器适合RF功率放大器功率要求（Flex Power Modules）
 
然而，重要的是，转换器的运行应远离其最大额定值，由于可靠性和寿命是衡量可用性和总体拥有成本的关键，因此，如果任何电子设备在桅杆顶部的密封外壳中发生故障，那么就损失的通信量和更换成本而言，这可能非常昂贵。为此，至少需要“5个9”的可用性，即99.999%的可用性或每年少于5.26分钟的停机时间。考虑到整个电子系统的复杂性，元件和模块必须单独具有非常高的可靠性，并且平均无故障时间（MTBF）为数千万小时，在高平均温度下使用寿命超过10年的DC-DC转换器将是预期的最低值。
远程监控电源轨时，对可用性的信心得到增强。如果DC-DC转换器并联以实现冗余，则健康监测是必要的，“砖”转换器通常会通过数字电源管理接口来实现这一点，通常是在I2C以上的PMBus标准。PMBus除了监控电压水平、输出负载和温度外，还允许调整警告和停机阈值电平。输出电压可以被削减，通常在一个广泛的范围，以适应射频PA要求，并允许技术升级，而不必改变DC-DC转换器。一些DC-DC也会感应到负载条件，并调整其内部回路补偿，以获得最佳负载瞬态响应。
 
基站是一个密集的数据处理系统
直至无线电功率放大器和接收器级，基站中的电子设备是典型的数据处理系统，包括CPU、FPGA、SoC、ADC、DAC和许多其他逻辑和接口功能。这就需要一系列电源轨，从1V到12V甚至更高的电压用于存储和接口，而且还需要使用DC- DC，通常采用常见的负载点（PoL）转换器形式。POL由48V或12V的中间总线供电，并在目标负载附近提供严格调节的电压轨。图3显示了Xilinx SoC设备的典型配置。
 

图3：典型SoC设备所需的各种电源轨
 
在传统蜂窝站点架构中，控制电子设备将位于靠近塔楼的“小屋”中，环境相对良好，甚至可能有空调。然而，由于5G的高单元密度，“零占用”架构很常见，所有控制、传输、基带和功率（CTBP）功能都在一个较小的组件中。这样一来，电子设备就更容易受到极端温度和雷击的影响，因此必须采取适当的保护措施以保持可靠性。在应用中，任何模块化电源转换器（如隔离DC-DC或POL）应为具有适当降额的质量，理想情况下，应具有用于控制和健康指示的数字接口。这就是说，由于小型电池对硬件成本非常敏感，与专用离散设计相比，DC-DC模块可能被视为一种昂贵的选择。
 
AC-DC电源混合使用
所有基站都需要AC-DC电源作为一次能源，并为备用电池充电。对于大型装置，交流电源可以是三相，对于由照明电路供电的小型电池，可以是单相230VAC，甚至是277VAC，在480VAC三相系统中使用相间电压。即使有备用电池，可靠性在任何情况下都是至关重要的，以避免在偏远地区的更换成本，因此高品质的部件是必要的内置健康监测。转换器会受到所提到的所有电气和物理环境的变化，而AC-DC的基板冷却通常是避免内部温度升高的一个优势。这也消除了风扇固有的有限寿命的需要。
 
结论
5G单元硬件必须满足苛刻的环境要求，具有高性能和高可用性，且总体拥有成本较低，包括购置、维护和能耗。电源配置是满足这些要求的基础，可以从Avnet Abacus提供的范围中选择领先制造商提供的合适隔离DC-DC转换器、PoL模块和AC-DC电源。
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