5G基站电源设计注意事项第二部分

脉冲电源是5G基站供电的解决方案吗?

基础设施 OEM 及其供应商将“脉冲电源”视为一种潜在的解决方案。这种技术通过将基站置于“睡眠模式”来降低运营成本，而只有基本设备保持通电状态。

脉冲功率利用 5G 基站分析流量负载的能力。在 4G 中，无线电总是打开的，即使在流量水平不保证的情况下，例如在半夜传输参考信号以检测用户。相比之下，5G 基站可以分析流量，以确定流量低到足以进入睡眠模式的时间。例如，睡眠模式可能会持续 5-100 毫秒。然后 5G 无线电将唤醒以查看范围内是否有任何活动设备，确保网络始终可用于 911 呼叫和时间敏感的物联网 (IoT) 流量。

基础设施 OEM 正在分析脉冲功率的两个方面：

· 这些电源循环如何影响 RRU 中 PSU 的整体寿命?RRU 的典型预期寿命约为 7-10 年。

· 当 PSU 处于静止(睡眠)模式时，功耗可以降低多低?这是 PSU 不再为 PA 供电的时候，这是主要的电力消耗，但仍需要为其他电子设备供电。当前的低负载效率目标约为 30 W。一些 OEM 希望看到这一目标降至接近 10 W。

基础设施 OEM 正在努力确定在静止期间支持无线电功能所需的最低功率。对于他们的 PSU 供应商来说，一个关键的设计挑战是在这个静态期间最小化功耗。PSU 还必须准备好立即启动，以便无线电可以立即恢复正常运行，并且它必须以最小的电压瞬态效应提供此电源。

在静止期间(通常为 5 毫秒至 100 毫秒)，PSU 必须将所有负载功率降至最低，同时天线单元的基本功能保持活动状态。每当天线想要检查其范围内的任何活动用户时，它还必须能够提升到全功率。最后，PSU 必须能够在静态和正常电源模式之间反复切换，并且仍然保持其可靠性和生命周期规范。

将热量和干扰降至最低

正在考虑的另一种设计是基于将 PSU 集成在 RRU 内以减小 RRU 的尺寸和重量。在此架构中，PSU 与 PA 共享散热器。PA 的效率比 PSU 低得多，因此它们的热量将散发到共享散热器中，从而提高其温度并降低 PSU 可用的冷却能力。传统上在 85⁰C 下运行的 PSU 现在预计将承受 95⁰C 到 100⁰C，如果没有补偿设计和制造，可能会影响组件寿命和性能。

PSU 集成也增加了信号干扰的风险。与 PA 如此接近意味着 PSU 必须不受 PA 产生的电场的影响。PSU 产生自己的 E 场，必须保持足够低，以免影响 PA 和其他 RRU 电子设备。

此外，它不得对无线电频率造成无源互调 (PIM) 干扰。当两个或多个信号通过不同材料的接头时，可能会发生 PIM，并且可能会因电缆连接松动、表面受污染、双工器性能不佳和天线老化而发生。这些信号在同一频带内混合产生和信号和差信号，从而造成干扰。精心设计和制造是确保 PSU 在其使用的 5-10 年内不会造成 PIM 干扰的关键。

此外，为了减轻重量，原始设备制造商正在推动 PSU 在物理上更小，但提供相同或更高的输出功率。这需要新的开关技术，例如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，这些技术广泛用于太阳能系统逆变器和电动汽车。采用这些技术设计的功率场效应晶体管 (FET) 允许在更高的基板温度下工作，并支持更高频率的工作以实现更紧凑的设计。

PSU 也应该是低调的，这意味着 PSU 上所有组件的高度应保持在最大值，例如 22 mm，因为 PSU 将与其他组件夹在 AAU 中。仔细的元件选择和布局是实现薄型设计的关键。

紧凑的设计实现了灵活性

选址考虑也在推动 PA 和 PSU 设计发生变化。频率越高，信号传播的时间越短，这意味着与 4G 相比，基于毫米波的 5G 将需要更高密度的小基站。许多 5G 站点还需要靠近人们所在的街道。在市中心等密集城市地区，5G 网络将依靠使用大规模 MIMO 天线的毫米波频谱来提供千兆速度。

小型基站被部署在电线杆和路灯上，无线电和电缆的空间有限。同时，在传统的 sub-6 GHz 频率下运行的宏站点也存在类似的限制。例如，许多塔已经被电缆堵塞，重量也会影响风荷载，从而影响天线容量。

这些因素凸显了运营商的 gNodeB 产品选择如何直接影响获得提供无缝覆盖所需站点的能力，进而影响其竞争力。此外，原始设备制造商希望使 AAU 尽可能轻巧，以便一个人可以安装它。

电缆是另一个重要因素。如今，多对低规格电缆用于为塔顶 RRU 提供 -48 V 电源，同时最大限度地减少它们的电压降。除了昂贵之外，这些电缆也很重，如果运营商想要在已经接近承重能力的站点上租用空间，这将是一个问题。

此外，毫米波 5G 无线电必须放置在高于其他天线的位置，以最大限度地减少树叶和其他障碍物的衰减。因此，移动行业正在考虑迁移到更高的电压来为这些天线分配电力。更高规格的电缆可用于分配 120 V 或 240 V AC，从而减少塔上的负载，同时最大限度地减少电压降。这一变化还将降低购买和安装成本。

与脉冲功率一样，这种变化需要了解更高的电压将如何影响 PSU 设计和组件寿命。移动运营商通常希望 PSU 的设计寿命约为 10 年。

一个复杂的因素是长期缺乏合格的安装人员——电信和电气——这使得运营商难以快速建立 5G。蜂窝基站安装人员习惯于处理 -48V DC。迁移到更高电压需要不同的安全设备、流程和技能，这意味着合格安装人员的选择更加有限。劳动力市场紧张也意味着更高的成本，因为它们可以向运营商收取溢价。

归根结底，5G 为移动运营商和为其提供移动设备的 OEM 带来了许多挑战和考虑因素。利用集成架构，使用功率脉冲等先进技术，减少设备的尺寸和重量，可以降低功耗并为供应商提供部署灵活性，以优化运营成本并为移动运营商提供有竞争力的解决方案。