芯耀
814
設(shè)計5G基站的工程師們必須應(yīng)對能源消耗、重量、尺寸和散熱等問題，這些因素會影響到設(shè)計決策。
5G新空口（NR）采用了多用戶大規(guī)模多輸入多輸出（MU-MIMO）技術(shù)、集成接入與回傳（IAB）技術(shù)，以及最高可達(dá)71Ghz毫米波（mmWave）頻段的波束成形技術(shù)。這些功能實現(xiàn)了大規(guī)模的連接、多千兆比特的傳輸速度以及個位數(shù)毫秒級的延遲，有助于將5G與4G及更早代的無線技術(shù)區(qū)分開來。遺憾的是，這些功能也帶來了集中在功耗、散熱、尺寸和重量方面的設(shè)計挑戰(zhàn)。
5G新空口給5G基站（gNodeB）的功率放大器（PA）和電源單元（PSU）帶來了根本性的變化。這些變化直接影響到運營商的資本支出（capex）、運營支出（opex），以及他們滿足客戶所要求的覆蓋范圍和服務(wù)質(zhì)量的能力。
在 2G、3G和4G時代，功率放大器和電源單元是相互獨立的組件，每個組件都有各自的散熱器（圖1）。由于種種原因，許多基礎(chǔ)設(shè)施原始設(shè)備制造商（OEM）正考慮將電源單元集成到5G基站中，這樣它將與所謂有源天線單元（AAU）中的遠(yuǎn)端射頻單元（RU）功率放大器共用一個散熱器。這一變化帶來了一系列的設(shè)計考量和挑戰(zhàn)。
降低電力消耗
功耗是產(chǎn)生這些變化的一個主要原因。根據(jù)MTN咨詢公司的報告，目前電力成本占移動運營商運營支出（opex）的5%至6%。MTN公司稱，隨著 5G的應(yīng)用，能源消耗將大幅增加，因為一個典型的5G基站（gNodeB）的耗電量至少是4G基站的兩倍。
更高的運營支出使得運營商難以對其5G服務(wù)進(jìn)行具有競爭力且盈利的定價。一些運營商試圖通過使用8T8R和32T32R的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，而非64T64R的系統(tǒng)，來控制5G的電力運營支出，然而這是一種可能會降低性能的妥協(xié)方案。即便如此，這些MIMO有源天線單元（AAU）中所需的額外功率放大器和額外的信號處理操作，還是推高了電力需求，可卻沒有提供額外的空間和散熱措施。
這些挑戰(zhàn)可能會讓人感到意外，因為5G一直被宣傳為比4G更節(jié)能。然而，這種比較是基于在消耗給定單位能量的情況下所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。使用毫米波將需要多個小型基站，即使它在傳輸數(shù)據(jù)方面比上一代無線技術(shù)更高效，但這仍將導(dǎo)致總體能耗更高。設(shè)備制造商們一直在尋找降低這種能源消耗的方法，以幫助運營商減少碳足跡。
例如，4G無線電設(shè)備總是處于開啟狀態(tài)（比如，發(fā)送參考信號來檢測用戶），即使在流量水平不需要的時候也是如此，比如在半夜。5G基站可以分析流量模式，并確定數(shù)據(jù)流量低的時段，在這些時段可能適合進(jìn)入“睡眠模式”關(guān)閉設(shè)備。目前正在考慮的一個例子是，在5ms到100ms的時間范圍內(nèi)關(guān)閉無線電設(shè)備的電源，然后再開啟它，查看范圍內(nèi)是否有任何活躍設(shè)備，以確保網(wǎng)絡(luò)始終可用于119緊急呼叫和對時間敏感的物聯(lián)網(wǎng)傳輸。
這種被稱為“脈沖供電”的技術(shù)通過將能耗降至最低來降低運營支出，因為在睡眠模式下，只有基站的基本設(shè)備會保持供電。這種技術(shù)將降低平均能耗，并降低運營商的運營成本。
基礎(chǔ)設(shè)施原始設(shè)備制造商（OEM）關(guān)注脈沖供電的兩個方面。首先，他們想了解這些供電循環(huán)對電源單元（PSU）整體壽命有何影響。遠(yuǎn)端射頻單元（RU）的典型預(yù)期壽命在7到10年之間。天線出現(xiàn)故障會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)停機(jī)，降低網(wǎng)絡(luò)可靠性，還可能造成收入損失。
其次，他們想知道當(dāng)電源單元處于靜態(tài)模式時，功耗能降低到什么程度。例如，當(dāng)電源單元停止為功率放大器（主要的耗電設(shè)備）供電，但仍需要為其他電子設(shè)備供電時的情況。目前低負(fù)載效率的目標(biāo)約為30%。一些原始設(shè)備制造商希望能將其降低到更接近，比如說10%的水平。
設(shè)備供應(yīng)商必須找出在靜態(tài)期間支持無線電功能所需的最小功率。電源單元制造商必須在靜態(tài)期間將功耗降至最低。電源單元必須能夠立即啟動，并為無線電設(shè)備恢復(fù)正常運行提供必要的電力，并且在供電時將電壓瞬變效應(yīng)降至最低。此外，它必須能夠經(jīng)受住反復(fù)在靜態(tài)模式和正常供電模式之間切換，同時仍能保持可靠性和符合壽命規(guī)格要求。
在靜態(tài)期間，電源單元必須將所有負(fù)載功率降至最低。它必須讓天線的基本功能保持就緒狀態(tài)，然后當(dāng)天線檢查范圍內(nèi)的活躍用戶時（通常在5ms到100ms內(nèi)），能切換到全功率運行狀態(tài)。
別讓重量太重
選址是功率放大器（PA）和電源單元（PSU）做出改變的另一個主要原因。例如，在人口密集的城市地區(qū)，5G網(wǎng)絡(luò)將在很大程度上依賴大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線中的毫米波頻譜來實現(xiàn)千兆比特的傳輸速度。頻率越高，信號傳播的距離就越短，這意味著毫米波5G網(wǎng)絡(luò)將需要密度高得多的小型基站。其中許多小型基站還需要安裝在接近街道地面的位置，因而也會離人群較近。
小型基站正被部署在電線桿和路燈上，而這些地方可供無線電設(shè)備和電纜使用的空間十分有限（圖 2）。與此同時，對于在傳統(tǒng)低于6 GHz頻段運行的宏基站站點來說，類似的空間限制因素也會產(chǎn)生影響。例如，許多信號塔上已經(jīng)布滿了電纜，這些電纜的重量會影響信號塔的風(fēng)載荷，進(jìn)而影響天線的承載能力。
運營商對數(shù)5G基站（gNodeB）產(chǎn)品的選擇，直接影響到其獲取提供無縫覆蓋所需站點的能力，而這又會反過來影響其競爭力。原始設(shè)備制造商（OEM）也希望限制有源天線單元（AAU）的重量（比如，限制在50磅/23公斤以下），以確保一個人就能完成安裝工作。這種情況為工程師們創(chuàng)造了機(jī)會，他們可以設(shè)計出將無線電設(shè)備尺寸最小化、減輕重量，并減少諸如電力電纜等配件重量的5G基站（gNodeB）產(chǎn)品。
多對小規(guī)格電纜被用于將-48V的電力傳輸?shù)交咎炀€桅桿頂部的遠(yuǎn)端射頻單元（RU）；使用這些電纜也是為了將電壓降降至最低（圖3）。這些電纜價格昂貴、重量大，而且除了眾多天線和其他設(shè)備外，還必須由基站塔架來支撐。技術(shù)人員必須將支持毫米波的5G無線電設(shè)備安裝在比其他天線更高的位置，以盡量減少障礙物造成的信號衰減。使用更高的電壓向這些天線傳輸電力可以減輕電纜的重量。更大規(guī)格的電纜可以傳輸120V交流電或240V交流電，甚至是400V直流電，從而減輕天線桅桿的負(fù)載，并將電壓降降至最低。更大規(guī)格的電線既能降低采購成本，也能降低安裝成本。
與脈沖供電一樣，做出這一改變需要了解更高的電壓會如何影響電源單元（PSU）的設(shè)計以及組件的使用壽命。服務(wù)器原始設(shè)備制造商（OEM）也在進(jìn)行類似的研究，就如同數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域考慮轉(zhuǎn)向更高的電壓以降低電流消耗和運營支出（opex）一樣。移動設(shè)備原始設(shè)備制造商或許能夠從其信息技術(shù)領(lǐng)域的同行那里學(xué)到經(jīng)驗---盡管也有一些需要注意的地方。例如，移動運營商通常希望電源單元的設(shè)計使用壽命約為10年，而數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器通常在使用約4年后就會被淘汰。
人員安全是另一個需要考慮的因素?；菊军c的安裝人員一直以來處理的是-48V直流電，所以他們需要接受培訓(xùn)，以便能夠安全地處理更高的電壓。運營商在努力降低運營支出成本的同時，還要實現(xiàn)其應(yīng)對氣候變化的目標(biāo)，這可能會加速這一轉(zhuǎn)變。
尺寸與散熱
正在考慮的另一種設(shè)計方案是將電源單元集成到遠(yuǎn)端射頻單元（RU）內(nèi)部，這樣可以減輕重量，并縮小遠(yuǎn)端射頻單元（有源天線單元，AAU）的尺寸。在這種架構(gòu)中，電源單元將與功率放大器（PA）共用一個散熱器。這種組合帶來了一些設(shè)計挑戰(zhàn)，首先就是散熱問題。功率放大器的效率比電源單元低得多。產(chǎn)生的熱量會散發(fā)到共用的散熱器上，使其溫度升高，從而導(dǎo)致可供電源單元使用的散熱能力降低。傳統(tǒng)上在85℃下運行的電源單元，現(xiàn)在需要承受95℃到100℃的溫度，這種溫度的升高可能會影響組件的使用壽命和性能。
集成還增加了信號干擾的風(fēng)險，這會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變差。對于集成式電源單元來說，這引發(fā)了兩個問題：
電源單元靠近功率放大器意味著它必須能夠抵御功率放大器產(chǎn)生的電場。電源單元本身也會產(chǎn)生電場。這些電場必須在規(guī)定的限度內(nèi)，且不能干擾功率放大器和遠(yuǎn)端射頻單元的其他電子設(shè)備。
集成不能對無線電頻率造成無源互調(diào)（PIM）干擾。
當(dāng)兩個或更多信號通過不同材料的連接點時，就可能會產(chǎn)生無源互調(diào)干擾 比如電纜連接松動、表面污染、雙工器性能不佳或天線老化等情況。
這些信號會在同一頻段內(nèi)混合，產(chǎn)生和頻與差頻信號，從而造成干擾。工程師必須在設(shè)計和制造過程中仔細(xì)考量，以確保電源單元在其使用壽命內(nèi)不會產(chǎn)生無源互調(diào)干擾。
為了減輕重量，原始設(shè)備制造商希望電源單元在物理尺寸上盡可能小。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要使用新的開關(guān)技術(shù)，比如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），這些技術(shù)在太陽能系統(tǒng)逆變器和電動汽車中得到了廣泛應(yīng)用。采用這些技術(shù)設(shè)計的功率場效應(yīng)晶體管（PowerFET）或許能夠在更高的基板溫度下運行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率，從而實現(xiàn)更小的設(shè)計尺寸。
電源單元通常會與有源天線單元內(nèi)的其他組件堆疊在一起。因此，工程師需要使用薄型組件，其厚度通常要在22mm以下。
圍繞嵌入式電源單元的這些挑戰(zhàn)和機(jī)遇凸顯了5G新空口（5G NR）與以往無線技術(shù)的不同之處。那些能夠幫助客戶克服這些挑戰(zhàn)的原始設(shè)備制造商，將在蓬勃發(fā)展的5G市場中為自己贏得成功的先機(jī)。
