5G功耗惊人！操作员时间开关？不，不，还有其他方法可以节省基站的电量

2022-03-28

电子发烧友网报道（文/程文志）近日，一则中国联通每天21:00至次日9:00关闭5G基站以降低能耗、节省电费的消息引起了很多关注。很多人看到这样的报道才知道，5G基站需要消耗大量的电量。

一开始，大家普遍关注的是5G带来的各种好处，比如更高的速度、更宽的带宽、更低的延迟和更高的连接密度，而忽略了如此高性能的成本。现在，随着5G建设的加快和逐步进入实际商用阶段，面临的落地挑战也逐渐显现。5G基站电源是我们遇到的路虎。

因此，不久前，邀请了在基站电源领域具有丰富经验的专家，就“5G网络演进对电源设计的挑战”这一问题进行了探讨。他们分别是英飞凌科技（中国）有限公司电源部经理程文涛和MPS华北区副总经理路平。

为什么5G基站功耗高？

要实现5G移动通信，首先需要部署大量的5G基站，包括宏基站和小基站（也称为分布式基站）。基站的能源消耗主要是电力。基站的电费也涨了，所以中国联通需要定期开关5G基站。

目前，5G基站的能耗主要集中在基站、传输、电源和机房空调四个部分，基站电费支出占整个网络能耗的80%以上。在基站的能耗中，负责处理信号编码的基带单元（BBU）的功耗比较小，射频单元（RRU/AAU）的功耗比较大。

根据华为去年发布的《5G功耗白皮书》，虽然单位流量的功耗从4G到5G大幅降低，但5G的总功耗相比4G还是有很大提升。预计5G时代AAU最大功耗将达到1000~1400W，BBU最大功耗将达到2000W左右。

5G时代，一站多频将是典型配置。预计5频以上站点占比将从2016年的3%提高到2023年的45%。一个站点多频将导致全站最大功耗超过10kW，频率高于 10 到超过 20kW 的站点。在多运营商共享场景下，功耗会翻倍。

目前，5G基站的功耗比4G基站增加了3倍以上。此外，由于覆盖范围的衰减，5G基站的需求翻了一番。因此，对于运营商而言，5G基站的高功耗成为制约5G网络建设的首要原因。

随着5G网络向低频/高频混合组网迈进，为满足网络容量不断增加的业务需求，将部署大量外围站点，网络站点数量将显着增加，整体功耗网络将成倍增长。.

图1：5G基站能耗变化

在英飞凌的程文涛看来，5G时代除了宏基站外，还需要大量的小基站，边缘计算服务器的数量也将大幅增加，这对电力会有新的要求。

MPS的Lupin解释说，5G基站能耗大幅增加的主要原因有两个。一是天线数量的增加。现在，一般都需要矩阵天线。使用矩阵天线可以实现波束赋形，支持更多用户。，覆盖更大的区域，实现更远距离的通信，也大大提高了能耗；其次，强大算法的支持需要使用高性能的 FPGA 和处理器，这会消耗大量功率。因此，现在最重要的任务就是降低功耗。

图 2：5G 的好处

5G对电源设计的影响

由于5G基站能耗增加，电费成为运营商不可忽视的因素。运营5G基站的运营商会越来越重视基站的功耗。因此，如何帮助运营商节省电费就成了一个重要的话题。所以为了节省电费，电源的设计是一个不可回避的话题。

程文涛认为，5G时代的到来，对电源设计的影响非常明显。他主要谈了三个方面的影响：

首先是新材料、新拓扑结构和高性能器件的使用将更多。“如果要提高效率，节省电费，那么使用的元器件就不能像3G/4G时代那样严格，成本要求也必须像3G/4G时代那样严格，必须使用高性能器件、良好的拓扑结构和良好的材料。” 程文涛在直播中表示。

其次，母线电压会升高。由于功耗的增加，电源设计也发生了一些变化。例如，之前使用48V电压的通信总线必须升级到72V，这会导致开关电源（DCDC）的输出电压发生变化。

还有一些更令人担忧的可靠性问题。由于基站一个很重要的特点就是投运后基本上是无人值守的，所以无论是设备供应商还是运营商，对可维护性、远程监控、低故障率的要求都远高于此。在其他行业。

其实基站的供电主要分为三个层次。一般来说，基站的电源是220V市电。第一阶段是将220V转换为-48V；第二级一般是使用模块电源将-48V电压转换为48V或28V为PA供电；第三级是板级电源，由12V转换成芯片、模拟电路、数字电路等所需的各个电压。

Lupin认为，从优化电源设计的角度来看，三个不同层次的电源都有优化工作要做。从板级电源来看，主要有3个变化：

一是电流越来越大。4G时代，单轨电流不会超过30A。5G时代，由于使用了很多FPGA、x86芯片等，板级电流大幅提升，达到50~60A。因此，原有的电源设计无法满足这些大电流的设计。

二是渠道数量增加。随着信号链变得复杂和敏感，一些单板上的电源轨通道多达数十个。这使得整个电源设计管理的复杂度比以前高很多。信号链变得复杂，对噪声的敏感性也相应增加。5G电源设计工程师在设计时需要考虑噪声设计和信道干扰。

第三，环境温度变高了。5G通信的供电与数据中心供电的最大区别在于基站的供电在室外。环境温度的变化范围很广，特别是在高温情况下，外围环境温度可达60~70℃，内部温度可达100℃以上。在如此宽广的温度范围内，电源设计的压力也很大。

如何应对5G基站电源设计挑战

对于宏基站，英飞凌的程文涛就一次电源和二次电源的优化提出了一些建议。“在初级电源中，我们看到一个明显的趋势是要求高效率和高功率密度。现在电源的效率要达到97%，甚至98%的效率。”

要实现这个效率目标，程文涛认为，首先需要使用一种新的拓扑结构。比如他说ACDC的拓扑结构会逐渐从桥式PFC过渡到无桥式PFC，甚至是图腾柱拓扑；第二，必须采用新材料，包括现在流行的碳化硅和氮化镓；第三，高频，可以提高功率密度，减小尺寸；第四，芯片封装更受欢迎，SMD封装成为主流。

对于二次电源来说，新的拓扑结构并不多，更重要的是新材料和高频器件的使用。

在三次电源，即板级电源方面，MPS的Lupin做了进一步的解释。4G时代，大电流的设计通常比较简单，单路DCDC基本满足需求。5G时代，电流增大后，会采用更多的多相供电设计。原因是多相电源设计将控制器和功率级分开后，可以比传统的DCDC更高效、更笨重。优势，更灵活。

卢平指出，多相电源的方向是向数字化方向发展，而数字电源可以提供很多功能，如负载状态监测、电压电流监测、故障信息等。系统级优化，数字电源可以方便整个电源的管理，带来很大的灵活性。”

板级电源高频化趋势也很明显，“很多时候我们会发现电感加电容的面积已经超过了控制器加MOS管的面积，如果频率再高一点，后期的无源器件可以做到更小，所以我们在不断推进高频技术的发展。卢平进一步指出。他认为，高频的限制因素不是控制器，而是MOS管技术。因此，MPS 引入了平面技术。通过使用平面技术基站能耗管理，可以使 Q 电平更小。高频会带来很大的优势，现在最高频率可以达到3MHz，可以大大减少板子面积。

图 3：MPS 的多相电源设计

除了多相供电，MPS还在模拟供电部分用优化的电源模块技术替代了传统的DCDC+LDO供电方式。Lupin表示，经过他们的测试，优化后的模块供电性能与传统DCDC加LDO供电方式的性能非常接近。

他给 举了一个 Zynq + RFSoC 电源参考设计的例子，“我们给一个 12 位 2GSPS ADC 和一个 14 位 6.4GSPS DAC 供电，我们直接使用开关电源设计，当然不是直接的DCDC，是电源模块，再加上一层滤波，我们的纹波可以在1mV以内，测试结果表明我们的方案可以达到接近原LDO供电的水平设备。”

这主要与MPS采用的特殊技术密切相关。一般来说，影响EMI噪声的核心因素是环路面积，尤其是变化电流的环路面积，对噪声影响很大。该工艺可以最小化从芯片到电感的环路面积，包括输入电容。除了环路面积之外，还有另一个因素会影响杂散阻抗或寄生阻抗。我们使用倒装芯片技术和铜柱。更换原来的金线或铜线可以非常有效地降低布线阻抗，也可以降低电压尖峰。因此，通过这两种技术的结合，可以减少环路，降低电压尖峰，对改善EMI特性非常有效。”卢平在直播中表示。

此外，MPS的功率模块还采用对称设计、频率占空比抖动、开关斜率控制等优化措施。

图 4：Small Cell 的特点

小基站方面，5G时代，射频部分和天线部分将越来越一体化，而这种紧凑的设计也对供电提出了新的要求。比如要求耐压等级更高的器件，越来越多的使用SMD器件；新材料器件应用较为普遍，包括将新材料用于有源器件的无源器件。

结语

总的来说，在5G时代，如何降低功耗是整个产业链都需要思考的问题。高效率、高功率密度、高频率将是业界持续关注的话题。在程文涛看来，在效率方面，对于通信电源来说，当电源的效率提升到一定程度时，提升效率的任务就会落在射频端，小幅度提升带来的好处射频侧的效率将大于电源部分的效率。改进; 高功率密度可以使器件尺寸更小，这将是业界持续关注的焦点；高频需要依靠新材料来实现，包括碳化硅，

因此，对于未来的5G电源工程师来说，必须熟悉高频设计，熟悉新材料，开拓新思路，才能适应未来的电源设计工作。

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