5G商用案例需要直流電源效率支撐

引言

5G有望為全互聯(lián)社會帶來無數(shù)新的應(yīng)用，而使數(shù)據(jù)傳輸呈指數(shù)性地增長。與此同時，5G NR(新空口)的設(shè)計需要支持?jǐn)?shù)十億臺互聯(lián)設(shè)備，這又會推動全球網(wǎng)絡(luò)中的基站數(shù)量大幅增長。基站數(shù)量增加就需要提供更多的電力，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量也會增加，但是同時，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運營商卻在降低能源成本方面面臨著環(huán)境與經(jīng)濟的雙重壓力。

本文將介紹這些挑戰(zhàn)，以及Flex等機構(gòu)如何通過DC/DC轉(zhuǎn)換和高效小型電源解決方案等創(chuàng)新技術(shù)來幫助運營商和數(shù)據(jù)中心所有者解決這些問題。

5G概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛汽車和虛擬現(xiàn)實等創(chuàng)新的推動，目前的無線網(wǎng)絡(luò)正在緊跟全世界對數(shù)據(jù)不斷增長和永不滿足的渴望。鑒于此，2015年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了5G規(guī)范(圖1)，其中包括許多苛刻的要求，包括高達20GB/s的峰值數(shù)據(jù)速率(比4G快10到20倍)、超低延遲，以及連接密度高達100萬臺設(shè)備/km2。

圖1：5G所選關(guān)鍵性能指標(biāo)

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

為了滿足這些苛刻要求，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員采用了許多革新技術(shù)，包括：

· 具有波束成形的大規(guī)模MIMO，將之用于5G無線接入網(wǎng)(RAN)

· 使用30GHz及以上的毫米波頻率，以便提供5G規(guī)范所需的巨大帶寬

· 包括網(wǎng)絡(luò)切片在內(nèi)的增強型網(wǎng)絡(luò)管理功能，從而允許為特定應(yīng)用定制服務(wù)

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的經(jīng)濟性

一些分析師預(yù)測，到2023年底，數(shù)據(jù)速率將達到每月近107艾字節(jié)(EB)(復(fù)合年增長率為39%)。此外，2011年的一項參考研究計算得出，每GB的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)使用，就需要大約5kWh的電能支持——如果功耗隨數(shù)據(jù)的使用量呈線性增長，那么這一數(shù)據(jù)將導(dǎo)致一些驚人結(jié)果。

因此，如果5G技術(shù)要兼具環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟可行性，那么其功耗就需要大幅降低。接下來的章節(jié)將研究5G的一些能源成本驅(qū)動因素，以及一些降低5G能耗的潛在解決方案。

運營商和數(shù)據(jù)中心所有者面臨的具體挑戰(zhàn)

5G的推出將給網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運營商帶來諸多挑戰(zhàn)。

在網(wǎng)絡(luò)方面，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等應(yīng)用的大量連接需求，加之毫米波的傳播特性，將會推動基站數(shù)量的大幅增長。并且，由于采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，5G基站將會擁有多達64個發(fā)射器。在沒有采取任何效率措施的情況下，對于具有64個發(fā)射器的5G有源天線單元(AAU)，典型雙發(fā)射器4G射頻拉遠單元(RRU)的300W輸入功率要求將轉(zhuǎn)變成1100至1500W。鑒于基站已經(jīng)占網(wǎng)絡(luò)總功耗的60%，運營商的能源成本估計為運營支出的15%，這樣大的功耗將不可持續(xù)，5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須采用創(chuàng)新的效率措施。

射頻功率放大器(RFPA)是5G無線網(wǎng)絡(luò)中最昂貴和耗電的元器件之一。氮化鎵(GaN)晶體管由于其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大帶寬和高效率特性，在基站級別，RFPA設(shè)計人員越來越多地從LDMOS轉(zhuǎn)移到這種器件。同時，包絡(luò)跟蹤/恢復(fù)(ET/ER)RFPA已成為關(guān)鍵的RFPA設(shè)計技術(shù)，可以實現(xiàn)具有高峰均功率比(PAPR)的調(diào)制信號的高效和線性放大。ET/ER需要采用非常高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器，從而與已調(diào)RF輸入信號的幅度變化同步改變寬帶RFPA的輸出偏壓。

在數(shù)據(jù)中心方面，需要增加處理能力和存儲容量來處理不斷增長的數(shù)據(jù)量，也就是說需要采用更多的服務(wù)器、機架、電源、冷卻以及空間。然而，一些研究報告估計，數(shù)據(jù)中心會消耗全球3%的電力并排放2%的全球溫室氣體，鑒于此，數(shù)據(jù)中心面臨著巨大的壓力，既要降低能耗，又要增加可再生能源的使用。

因此，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運營商面臨著將更多功能集成到更小空間和降低能耗的雙重挑戰(zhàn)。雖然在這兩種環(huán)境中都存在超簡潔(ultra-lean)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和虛擬化等能效技術(shù)，但數(shù)字電源管理和DC轉(zhuǎn)換技術(shù)已改變了系統(tǒng)設(shè)計，從而實現(xiàn)了更高效、緊湊的服務(wù)器等電子設(shè)備。數(shù)字電源模塊結(jié)合了數(shù)字通信和高密度、高效率模塊化DC/DC解決方案的優(yōu)勢，使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠以小尺寸開發(fā)更緊湊、更高效的產(chǎn)品。由于設(shè)計人員可以利用電源模塊中的功能以及一系列支持工具，從而擺脫復(fù)雜的電源設(shè)計，專注于增值產(chǎn)品功能的開發(fā)，因此新產(chǎn)品開發(fā)的上市時間得到縮短。

圖2：Flex電源模塊PKJ系列DC-DC轉(zhuǎn)換器

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

Flex數(shù)字電源設(shè)計解決方案

Flex電源(Flex Power)于2017年收購了愛立信電源模塊，愛立信電源模塊在為電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供電源解決方案方面擁有超過40年的業(yè)績記錄。Flex的DC/DC電源產(chǎn)品具有高效率(目前高達97%但很快會超過98%)、高可靠性、可通過PMBus來配置和控制模塊電源，以及低至1/16磚尺寸的緊湊規(guī)格，為5G的挑戰(zhàn)提供了有效的解決方案。

Flex的產(chǎn)品組合包括各種高效率的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離負載點(PoL)轉(zhuǎn)換器，以及面向處理器和交換機刀片等高級電信計算架構(gòu)(ATCA)應(yīng)用的電源接口模塊(PIM)。

針對RFPA應(yīng)用的特定挑戰(zhàn)，開發(fā)了一系列產(chǎn)品，包括PKJ系列(可提供28V或50V標(biāo)稱輸出電壓，效率高達96.5%，半磚尺寸， 700W輸出功率)，PKM-D系列(包括高密度500W 1/4磚DC-DC轉(zhuǎn)換器，48Vin和半載時的典型效率為95.5%，并具有14V至35V的寬輸出電壓調(diào)節(jié)范圍)，以及PKB-D系列(包括輸出為50V/5A、輸入電壓范圍為36至60V的1/8磚轉(zhuǎn)換器)等。

針對數(shù)據(jù)中心，推出了完整的數(shù)字電源方案，包括：

》BMR480和BMR490系列產(chǎn)品，1000~1300W數(shù)字DC/DC隔離轉(zhuǎn)換器，最高效率達到97.3%，可并聯(lián)輸出提供更高功率。

》BMR481和BMR482系列產(chǎn)品，48V到核心電壓(小于1V)的直接轉(zhuǎn)換電源產(chǎn)品，減小電源部分的占板面積，系統(tǒng)整體效率提高2~3%。

》BMR520系列，300W~900W隔離表貼直立式的IBC(中間總線轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)品，直立設(shè)計減小占板面積，優(yōu)化散熱方式。

》開關(guān)電容轉(zhuǎn)換方案的IBC產(chǎn)品，48V轉(zhuǎn)12V，效率大于98%

Flex Power Module還配套提供了一套先進的工程設(shè)計工具，F(xiàn)lex Power Designer軟件(https://flexdigitalpowerdesigner.com)。該軟件工具使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠進行包括熱建模、動態(tài)負載響應(yīng)優(yōu)化在內(nèi)的詳細仿真，進行系統(tǒng)效率評估，可最大限度地減少電源系統(tǒng)設(shè)計錯誤，縮短開發(fā)時間，從而加快新產(chǎn)品的上市速度。

總結(jié)

5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性和經(jīng)濟可行性越來越依賴于高級數(shù)字電源技術(shù)。Flex電源模塊是全球領(lǐng)先的數(shù)字電源解決方案供應(yīng)商，提供端到端的數(shù)字產(chǎn)品組合，包括PIM、隔離磚式和數(shù)字POL模塊，以及越來越多的針對RFPA應(yīng)用的產(chǎn)品。同時，F(xiàn)lex廣泛的產(chǎn)品組合所提供的增值電源解決方案，使開發(fā)人員能夠為創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的研發(fā)縮短設(shè)計周期并加快產(chǎn)品上市速度。