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5G通信对电源的新要求及其解决方案.doc
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2021-04-01
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关于5G电源
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5G 通信对电源的新要求及其解决方案
1.引言
众所周知,包括韩国和美国在内的世界多个国家和地区已经率先开启了 5G 通
信。中国也在 20 多个城市开始了 5G 通信试点并会在未来大力推广。5G 通信
的建设方兴未艾。
相比于现有的 3G,4G 通信,5G 通信具有超高速率,极低延时等特点。这些
特点产生的原因是 5G 通信采用了更高频段的频谱,以中国为例:4G LTE 的频
段为 1.8GHz-2.65GHz,而 5G 目前公布的频段为 3.3GHz-5GHz。而未来还
会建设高于 6GHz 的毫米波(mmW)5G 通信。根据光速公式:
c=λν (1)
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频率 ν 越高,意味着波长 λ 越小,对于无线通信,这意味着通信信号的覆盖面
积越小。这一方面需要 5G 通信基站的密度更高,另一方面需要单一通信基站
采用 Massive MIMO (64T64R,128T128R 等), beamforming 等技术解
决信号覆盖面积小等问题。这些新技术和应用对于通信电源的自然散热能力,
维护成本等提出了新的需求。
同时,5G 较为丰富的组网架构和布局方式带来了更多的供电方式及其组合,
包括交流(UPS)直接供电,-48V 供电,HVDC(高压直流)供电等。由于在
很长一段时间内 5G 的建设还需要兼容(保留)现有 3G 和 4G 通信,因此多数
采用现有基站和中心局进行改造和升级的方式,这意味着通信电源需要同时给
3G/4G 和 5G 通信设备供电,对通信电源的输出功率,功率密度,可靠性等提
出了新的需求。
本文的第二部分将对这些新需求进行详细论述,针对这些新需求给通信电源设
计者带来的挑战,第三部分给出了英飞凌科技有限公司的解决方案,以帮助设
计者快速,可靠地设计出适合 5G 通信应用的产品。最后将对本文进行总结。
2.5G 通信对电源的要求
5G 通信的建设给开关电源企业带来了巨大商机。根据安信证券研究中心的数
据,5G 通信电源的市场规模预计为 315 亿元人民币。而巨大商机也同时给通
信电源设计者带来了新的挑战。
2.1 更大的输出功率和更高效率
由于 5G 通信需要采用 Massive MIMO 等技术,5G 基站的 AAU 单扇区输出功
率由 4G 的 40W~80W 上升到 200W 甚至更高,同时由于处理的数据量大幅
度增加,BBU(基带处理单元)(或者在 5G 某些组网模式下被拆分为 CU 和
DU)的功率也大幅增加,其功率已经超过 1000W。对于目前较流行的 5G 基
站组网方式:3 扇区 AAU+1 个 BBU,假设 AAU 效率为 20%,那么单单为
5G 基站供电的通信电源的输出功率大约为:
P_out=(3*200)/0.2+1000=4000W (2)
而原有 4G 通信基站供电的通信电源输出功率为 2000W~3000W。输出功率
大幅提升。
根据华为技术有限公司提供的数据,3G(兼容 2G),4G(兼容 3G),5G
(兼容 3G 和 4G)基站的功耗如下图所示。增加 5G 通信后基站电源的功率上
升 68%。
图 1:不同通信制式下基站耗电量对比图
5G 通信对电能需求增大意味着对通信电源的效率要求更高,从而降低通信运
营成本(OPEX),根据中国联通的统计数据,通信数据中心(中心局机房)的
OPEX 中电费占比达到 28%。虽然供电系统的能耗只占通信数据中心总能耗的
10%,但是供电系统会加剧制冷系统的负担,以 30KW 的系统为例,效率提高
5%可以使得电源设备一年减少好点 18000 度,空调电耗减少 7200 度,提高
通信电源转换效率是通信数据中心的降成本的关键手段之一。
5G 通信的数据流量相比 3G/4G 通信变得更加不均衡,某时段流量可能极大,
某时段可能小,这意味着通信电源的实际负载范围会从轻载到满载。对于 5G
通信电源,为了确保在任何负载下通信系统的耗电都达到最低值,效率的要求
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默渝
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