5G商用案例需要直流电源效率支撑

引言

5G有望为全互联社会带来无数新的应用，而使数据传输呈指数性地增长。与此同时，5G NR(新空口)的设计需要支持数十亿台互联设备，这又会推动全球网络中的基站数量大幅增长。基站数量增加就需要提供更多的电力，数据中心的服务器数量也会增加，但是同时，网络和数据中心运营商却在降低能源成本方面面临着环境与经济的双重压力。

本文将介绍这些挑战，以及Flex等机构如何通过DC/DC转换和高效小型电源解决方案等创新技术来帮助运营商和数据中心所有者解决这些问题。

5G概述

随着物联网、自动驾驶汽车和虚拟现实等创新的推动，目前的无线网络正在紧跟全世界对数据不断增长和永不满足的渴望。鉴于此，2015年国际电信联盟(ITU)发布了5G规范(图1)，其中包括许多苛刻的要求，包括高达20GB/s的峰值数据速率(比4G快10到20倍)、超低延迟，以及连接密度高达100万台设备/km2。

图1：5G所选关键性能指标

(来源：《5G for Connected Industries and Automation》，2nd edition，white paper，5GACIA，November 2018)

为了满足这些苛刻要求，5G网络设计人员采用了许多革新技术，包括：

· 具有波束成形的大规模MIMO，将之用于5G无线接入网(RAN)

· 使用30GHz及以上的毫米波频率，以便提供5G规范所需的巨大带宽

· 包括网络切片在内的增强型网络管理功能，从而允许为特定应用定制服务

互联网数据的经济性

一些分析师预测，到2023年底，数据速率将达到每月近107艾字节(EB)(复合年增长率为39%)。此外，2011年的一项参考研究计算得出，每GB的互联网数据使用，就需要大约5kWh的电能支持——如果功耗随数据的使用量呈线性增长，那么这一数据将导致一些惊人结果。

因此，如果5G技术要兼具环境可持续性和经济可行性，那么其功耗就需要大幅降低。接下来的章节将研究5G的一些能源成本驱动因素，以及一些降低5G能耗的潜在解决方案。

运营商和数据中心所有者面临的具体挑战

5G的推出将给网络和数据中心运营商带来诸多挑战。

在网络方面，物联网设备等应用的大量连接需求，加之毫米波的传播特性，将会推动基站数量的大幅增长。并且，由于采用大规模MIMO技术，5G基站将会拥有多达64个发射器。在没有采取任何效率措施的情况下，对于具有64个发射器的5G有源天线单元(AAU)，典型双发射器4G射频拉远单元(RRU)的300W输入功率要求将转变成1100至1500W。鉴于基站已经占网络总功耗的60%，运营商的能源成本估计为运营支出的15%，这样大的功耗将不可持续，5G网络的设计必须采用创新的效率措施。

射频功率放大器(RFPA)是5G无线网络中最昂贵和耗电的元器件之一。氮化镓(GaN)晶体管由于其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率特性，在基站级别，RFPA设计人员越来越多地从LDMOS转移到这种器件。同时，包络跟踪/恢复(ET/ER)RFPA已成为关键的RFPA设计技术，可以实现具有高峰均功率比(PAPR)的调制信号的高效和线性放大。ET/ER需要采用非常高效的DC/DC转换器，从而与已调RF输入信号的幅度变化同步改变宽带RFPA的输出偏压。

在数据中心方面，需要增加处理能力和存储容量来处理不断增长的数据量，也就是说需要采用更多的服务器、机架、电源、冷却以及空间。然而，一些研究报告估计，数据中心会消耗全球3%的电力并排放2%的全球温室气体，鉴于此，数据中心面临着巨大的压力，既要降低能耗，又要增加可再生能源的使用。

因此，网络和数据中心运营商面临着将更多功能集成到更小空间和降低能耗的双重挑战。虽然在这两种环境中都存在超简洁(ultra-lean)网络设计和虚拟化等能效技术，但数字电源管理和DC转换技术已改变了系统设计，从而实现了更高效、紧凑的服务器等电子设备。数字电源模块结合了数字通信和高密度、高效率模块化DC/DC解决方案的优势，使系统设计人员能够以小尺寸开发更紧凑、更高效的产品。由于设计人员可以利用电源模块中的功能以及一系列支持工具，从而摆脱复杂的电源设计，专注于增值产品功能的开发，因此新产品开发的上市时间得到缩短。

图2：Flex电源模块PKJ系列DC-DC转换器

(来源：https://flex.com/expertise/power/scalable-power-module)

Flex数字电源设计解决方案

Flex电源(Flex Power)于2017年收购了爱立信电源模块，爱立信电源模块在为电信和数据中心应用提供电源解决方案方面拥有超过40年的业绩记录。Flex的DC/DC电源产品具有高效率(目前高达97%但很快会超过98%)、高可靠性、可通过PMBus来配置和控制模块电源，以及低至1/16砖尺寸的紧凑规格，为5G的挑战提供了有效的解决方案。

Flex的产品组合包括各种高效率的隔离式DC/DC转换器和非隔离负载点(PoL)转换器，以及面向处理器和交换机刀片等高级电信计算架构(ATCA)应用的电源接口模块(PIM)。

针对RFPA应用的特定挑战，开发了一系列产品，包括PKJ系列(可提供28V或50V标称输出电压，效率高达96.5%，半砖尺寸， 700W输出功率)，PKM-D系列(包括高密度500W 1/4砖DC-DC转换器，48Vin和半载时的典型效率为95.5%，并具有14V至35V的宽输出电压调节范围)，以及PKB-D系列(包括输出为50V/5A、输入电压范围为36至60V的1/8砖转换器)等。

针对数据中心，推出了完整的数字电源方案，包括：

》BMR480和BMR490系列产品，1000~1300W数字DC/DC隔离转换器，最高效率达到97.3%，可并联输出提供更高功率。

》BMR481和BMR482系列产品，48V到核心电压(小于1V)的直接转换电源产品，减小电源部分的占板面积，系统整体效率提高2~3%。

》BMR520系列，300W~900W隔离表贴直立式的IBC(中间总线转换器)产品，直立设计减小占板面积，优化散热方式。

》开关电容转换方案的IBC产品，48V转12V，效率大于98%

Flex Power Module还配套提供了一套先进的工程设计工具，Flex Power Designer软件(https://flexdigitalpowerdesigner.com)。该软件工具使系统设计人员能够进行包括热建模、动态负载响应优化在内的详细仿真，进行系统效率评估，可最大限度地减少电源系统设计错误，缩短开发时间，从而加快新产品的上市速度。

总结

5G网络和数据中心的可持续性和经济可行性越来越依赖于高级数字电源技术。Flex电源模块是全球领先的数字电源解决方案供应商，提供端到端的数字产品组合，包括PIM、隔离砖式和数字POL模块，以及越来越多的针对RFPA应用的产品。同时，Flex广泛的产品组合所提供的增值电源解决方案，使开发人员能够为创新的网络和数据中心设备的研发缩短设计周期并加快产品上市速度。