許多人認為 5G 新無線電 (NR) 是對現有 4G 基礎設施的簡單升級。然而，使用多用戶大規模 MIMO (MU-mMIMO)、集成接入和回程 (IAB) 以及頻率高達 71 GHz 的毫米波 (mmWave) 波束賦形意味著這將是一種非常不同的技術。 4G。

與 5G 相關的更高頻率推動了小型蜂窩的激增，這些蜂窩將需要在短距離內提供視距覆蓋。從物理上講，這意味著蜂窩站的架構將需要改變，整體尺寸和重量將減小，而功耗將增加。這一點以及對提高效率的需求將極大地增加電源設計人員面臨的挑戰，尤其是在 AC/DC 電源解決方案方面。

5G NR 基于 MU-mMIMO、IAB 和具有高達 71 GHz 毫米波頻譜的波束成形，可提供高水平的連接性、數千兆位范圍內的速度和約一毫秒的延遲。5G NR 通常被許多人視為演進道路上的下一步，與它將取代的早期技術（例如 4G）有著根本的不同。

不出所料，隨著用戶需要使用這項最新技術，5G NR 市場預計將出現非常快速的增長。研究公司 ResearchAndMarkets 估計1 5G 基礎設施市場將以每年 55% 的復合年增長率從 2021 年到 2026 年增長，市場規模將達到 1154 億美元。

這種增長的背后是對大量小型蜂窩的需求，以提供 5G NR 采用的更高頻率所需的視線覆蓋。許多地方都可以找到電池，包括街道照明和建筑物——事實上，幾乎任何有高度和可用功率的地方。功率是 5G 的主要挑戰之一。目前，根據 MTN Consulting 的數據，2 4G 電力約占移動運營商運營的 5% 至 6%。5G NR 將需要至少兩倍于 4G 的功率，并且考慮到當前能源成本的增加，運營成本將顯著上升。

5G電源挑戰

5G 與以前的技術（2G、3G 和 4G）之間的區別之一是內部基站架構。在早期的系統中，功率放大器 (PA) 和電源單元 (PSU) 是完全獨立的，它們有自己的熱管理系統，通常是散熱器。在 5G NR 中，PSU 很可能會與遠程無線電單元 (RRU) 一起集成到 gNodeB 中，以形成有源天線單元 (AAU)——它只有一個散熱器。

架構的變化給電源設計帶來了更多挑戰，再加上受限空間、高溫、密封環境以及對輕量化解決方案的需求等問題，為 5G 設計 AC/DC 電源解決方案增加了更多復雜性。PA 的效率通常低于 PSU，這進一步加劇了這種情況，這會提高現在共享散熱器的溫度，從而將 PSU 的工作溫度從約 85?C 提高到接近 100?C。這種升高的溫度可能會影響可靠性，因為熱量是導致組件故障的關鍵因素。

根據經驗法則，元件溫度每升高 10°C，PSU 的 MTBF 減半，可以看出，集成可以將 PSU 壽命縮短 50% 到 75%。這一點很重要，因為移動運營商正在尋求 7 到 10 年的 PSU 壽命，因為將要部署的數量巨大，以及接入和更換的難度和成本。

信號完整性是任何基于無線電的系統（例如 5G）的基本要求。但是，集成 PSU 和 RRU 來創建 AAU 會增加信號干擾的可能性，從而降低系統性能。干擾問題是雙重的。首先，切換 PSU 會產生電磁干擾 (EMI)，并且必須將其限制在嚴格的限制范圍內，以確保它們不會干擾 PA 和/或 RRU。PSU 還必須充分屏蔽，以使 5G 無線電信號不會干擾其運行。

當多個信號通過由不同材料（包括松散的電纜連接、受污染的表面、性能不佳的雙工器或老化的天線）形成的結點并混合以在同一頻帶內產生和信號和差信號時，無源互調是一個問題，從而導致干擾。在設計的所有方面都必須考慮到這一點，以確保它不會成為問題。

應對電力挑戰

已經采取了各種方法來降低 5G NR 小區的功耗。一種方法是用功耗較低的 8T8R 或 32T32R 天線替換 64T64R MIMO 天線。雖然這確實降低了功耗，但也存在性能折衷——而且在許多情況下，額外的 PA 實際上會增加功率需求。

圖 3：5G 應用中需要對 PSU 進行散熱。

許多人認為脈沖電源是一種潛在的解決方案。由于 5G 基站能夠分析流量負載，它可以在流量較少時進入“睡眠模式”。與“永遠在線”、不斷傳輸參考信號以檢測用戶的 4G 相比，這是一個顯著優勢。然而，即使在睡眠模式下，基本功能也必須保持運行——尤其是允許緊急 (911) 呼叫以及確保對時間敏感的物聯網流量不中斷。

在解決一些挑戰時，基礎半導體技術可以發揮重要作用。事實上，半導體行業正在經歷一場根本性的變革，以應對汽車、可再生能源和 5G 等眾多應用快速變化的需求。這些應用在惡劣環境和高溫下要求更高水平的性能、效率和可靠性。

幾十年來，硅一直是半導體器件的中流砥柱。然而，在最具挑戰性的應用中，這種材料正在被新的寬帶隙 (WBG) 材料所取代，包括碳化硅和氮化鎵。更高的電子遷移率帶來了許多好處，這些好處在具有挑戰性的電源應用中非常重要。

圖 4：WBG 器件在需要高性能和高效率的應用中的優勢

使用WBG 器件，靜態和開關損耗與等效的 Si 器件相比更低。這提高了效率并允許在更高頻率下運行，從而使無源元件更小且更具成本效益。這也有助于減輕重量，這是 5G 毫米波天線的一個關鍵考慮因素，因為這些天線通常需要放置在桅桿上以達到清除障礙物所需的高度。如果天線重量可以降低，那么桅桿的設計和部署就更簡單、更靈活、更便宜。

此外，WBG 器件可以在高溫下運行，從而提高了可靠性。最后，SiC 和 GaN 還傾向于產生更少的 EMI，這意味著需要更少的濾波和屏蔽——這在 5G 系統中是一個非常有用的優勢。

5G 代表了與以前蜂窩技術相比的重大變化，更高的頻率導致基站的位置更近并部署更多的小區。雖然這些變化將提供比以往任何時候都具有更高吞吐量和更低延遲的強大、高性能通信解決方案，但它們也帶來了重大挑戰——尤其是在功率方面。根據單元和特定的設計要求，5G RAN 部署的 AC/DC 電源要求可以從幾百瓦到幾千瓦不等。

低功率應用中使用的 PSU 通常嵌入在天線單元中，并依靠天線來冷卻散熱器和密封外殼以提供 IP 保護。對于更高功率的應用——例如，為基帶單元供電、為無線電單元供電和為現場電池備份單元充電——通常使用更高功率的戶外額定 PSU，每個 PSU 都獨立于其自己的 IP65 等級外殼中。這些 PSU 可以并聯以提供更高的輸出功率，幫助用戶配置緊湊的大容量電源系統，提供許多 5G 應用所需的超高輸出能力。

最大限度地提高效率對于控制網絡的運營成本非常重要，該網絡消耗的能源至少是其前身的兩倍，并確保盡管溫度更高且冷卻機會最少，但仍能可靠運行。基本架構修改可能有助于解決電源挑戰，但不斷變化的結構會增加干擾的可能性，從而降低網絡性能。

該解決方案在于通過脈沖電源實現智能操作，并實施包括 WBG 在內的新半導體技術，從而開發出更加堅固、高效和緊湊的電源技術。

作為專為戶外和惡劣環境操作而設計的高效、高密度、堅固的電源解決方案的領先供應商，Advanced Energy 認識到電源在 5G 基礎設施建設中所扮演的角色。該公司正在研究如何在更高的散熱器溫度下運行而不影響產品壽命、如何在脈沖電源運行的待機模式下降低功耗，以及如何利用 WBG 器件來縮小 PSU 以便更容易集成進入AAU。

參考

1 2021 年全球 5G 基礎設施市場報告：市場預計將從 2021 年的 129 億美元增長到 2026 年的 1154 億美元 – ResearchAndMarkets.com。（2021 年 9 月 10 日）。美國商業資訊。bwnews.pr/3xaHKJU

2 M.沃克。（2020 年 3 月 27 日）。“運營商面臨電力成本緊縮。” MTN 咨詢。bit.ly/3tqciGt

審核編輯 黃昊宇