【導讀】5G 基ji站zhan的de數shu量liang以yi及ji能neng源yuan消xiao耗hao呈cheng指zhi數shu級ji增zeng長chang，因yin此ci高gao效xiao供gong電dian變bian得de非fei常chang重zhong要yao。本ben文wen將jiang討tao論lun這zhe個ge主zhu題ti，並bing且qie針zhen對dui電dian源yuan模mo塊kuai如ru何he為wei基ji站zhan提ti供gong高gao功gong率lv密mi度du和he可ke靠kao的de性xing能neng提ti出chu了le一yi些xie解jie決jue方fang案an。

根據全球移動通信係統協會 GSMA 提供的數據，5G 目前正在順利推廣中，預計將在 2025 年覆蓋全球三分之一的人口。另外根據全球領先綜合數據庫Statista 的調查，主要手機製造商皆已推出 5G 手機
，這將使那些希望以理論上高達 50Gb/s 的最大速度傳輸數據流和視頻的人感到滿意
，預計到 2023 年全球 5G 訂閱量將達到 13 億 。然而
，5G 不僅僅是速度更快的智能手機，它還是人工智能、雲計算、自動駕駛汽車
、物聯網 (IoT)
、智慧城市和工業，以及更多可能還沒有想到的應用的基礎技術。由此可見
，將會有高額資金投入新的 5G 基礎設施
，網絡運營商將尋求最快的回報，而Statista 估計通訊服務領域光是在 2021 年就將花費 1.4 萬億美元。 

5G 最終可能使用 70GHz 以上的頻段 

5G 基礎設施不僅僅是對 4G 的升級
，就本質而言
，5G 的峰值性能使用更高的頻率但覆蓋範圍更小，因此需要更多的蜂窩小區。有三個頻段：低
、中和高
，大多數使用 2.5 – 3.7GHz 的中頻段，速度高達 900Mb/s。低頻段使用與 4G 相似的頻率
、範圍和覆蓋率，因此它幾乎沒有提供額外的優勢，但可用在低流量區域以快速實現基本但廣泛的覆蓋範圍。高頻段工作在 70GHz 以上
，提供最快的數據速率但覆蓋範圍十分有限
，可能隻有 1.5 公裏，因此它是體育館、商場和會議中心等公共場所的首選。這些地方的流量可能很高
，但基站可能很小並且分布在限製的區域內，使用「波束成形」技術以提供良好的覆蓋範圍。 

因此，蜂窩小區分成城域、微型、微微和毫微微的類別
，功率輸出和範圍依次越來越小，從傳輸超過 100W 的多輸入多輸出 (MIMO) 城域蜂窩到以毫瓦運行的毫微微蜂窩。「小蜂窩」這個術語包含了三個最小的類別。 隨著吞吐量和基站數量的增加，能源消耗注定上升

，一些報告預測會比 4G 高出一倍。由於能源是網絡運營商的主要成本（根據 MTN consulting ，占4G 的5% 至 6%），因此提高基站電子設備中器件的工作效率是一個亟待解決的問題。 

射頻功率放大器的效率不高 

基站中效率特別低的地方是射頻功率放大器（圖 1），以前射頻功率放大器使用LDMOS在幾GHz射頻頻段提供千瓦級的能量，但是為了在 5G 的高頻率下實現更高的效率，越來越多選擇使用適合安裝在低功率/大容量小蜂窩的氮化镓 (GaN)。LDMOS 通常由 26-32V 直流供電
，GaN 則是 50-60V。射頻功率放大器的效率仍然不高，最高隻能到 60%，因此從電池係統（例如 48V）儲存的能量中擷取能夠使用的能源都是珍貴的。 

RPA150E 係列是一款適用於5G 功率放大器的 DC/DC 轉換器 。電源具有電隔離，因此輸入電壓接受 -48VDC 或 -24VDC的電信電源，輸出端相對於地端為正（圖 1）。RPA50E 可連續提供 150W 和高達 200W 的峰值功率來為輸出射頻功率放大器供電，標稱輸出電壓可微調 ±20% 以提供最佳電源電壓以實現最高效率。1/8 磚的尺寸相對於額定功率來說占地空間非常小，采用基板冷卻可以在高溫下無需降額。 

DC/DC 轉換器在 5G 應用中的一個重要特性是具有低靜態功耗以及可以設定低功耗關閉模式。4G 即使沒有用戶流量也會持續傳輸係統信息和同步/參考信號，而5G 定義了「進階睡眠模式」 (ASMs) 以實現最小化的平均功耗。省電會有延遲的缺點，但可以節省約 50% 所以極具吸引力。因此，係統 DC/DC 轉換器配有低功耗關斷功能變得十分重要。RPA150E 也非常適合與電池供電的電源搭配使用
，轉換效率 >91%，待機功耗僅 3mA。 

「包絡跟蹤」越來越常用來改變射頻功率放大器電源電壓以匹配調製信號的幅度來提高係統效率，但這必須達到 MHz 的頻率
，因此任何DC/DC 轉換器的動態輸出電壓調節功能都不夠快。使用 GaN 晶體管的外部包絡跟蹤電路來進行高速動態跟蹤，可以輕鬆地將漏極電流脈衝至射頻放大器（圖 1）。. 

圖 1：典型 5G 基站射頻使用包絡跟蹤以實現最高效率（僅顯示 MIMO 的一個通道）

基站的數字和模擬電子設備都需要電源 

基站裏麵的電子設備包含低噪聲模擬信號和數字處理，常見的有 CPU、FPGA、SoC 設備、ADC、DAC 等。這些器件需要的供電電壓範圍涵蓋了 DAC 的 +5V 
、處理器或 FPGA 的低於 1V，同時也會采用非隔離負載點轉換器 (PoL) 或「電源模塊」在適當的負載提供準確的低噪聲電壓。PoL 的輸入電壓可以來自於 48V 電源係統或是更常見的 12V 穩壓中間總線。 

5G 基站中的隔離 DC/DC 轉換器和電源模塊通常在惡劣環境中工作
，例如有極端溫度、雷擊和其他設備造成的瞬變、高(gao)射(she)頻(pin)場(chang)的(de)風(feng)險(xian)，不(bu)僅(jin)外(wai)殼(ke)要(yao)小(xiao)價(jia)格(ge)也(ye)要(yao)夠(gou)低(di)廉(lian)。可(ke)靠(kao)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)因(yin)為(wei)要(yao)避(bi)免(mian)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)維(wei)護(hu)費(fei)用(yong)
，電(dian)效(xiao)率(lv)必(bi)須(xu)夠(gou)高(gao)以(yi)維(wei)持(chi)低(di)能(neng)源(yuan)成(cheng)本(ben)和(he)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)其(qi)他(ta)器(qi)件(jian)的(de)發(fa)熱(re)負(fu)擔(dan)。 

RECOM 的產品組合也提供非隔離電源模塊，其中包含使用公司的「3D 電源封裝®」技術的超緊湊的高效電源。 

RECOM RPX-1.0 和 RPX-1.5 係列采用薄型 QFN 封裝
，極小的封裝麵積僅 3 x 5mm。該電源采用倒裝芯片技術實現極高的功率密度，額定輸出為 1A 或 1.5A，可在 0.8-30V 範圍內調節
，輸入電壓範圍為 4-36V。RPX-2.5 的封裝麵積隻大一點（4 x 4.5mm），提供 2.5A 輸出電流。如果電源高度不受限製，RPX-4.0 可提供高達 4A 輸出電流
，封裝尺寸為 5 x 5.5 x 4. 1mm。這些轉換器皆配備集成電感並具有全麵保護功能（UVLO、SCP、OCP、OTP）
，隻需要安裝輸出電壓設置電阻以及輸入和輸出電容即可形成一個完整的電源。 

圖 2：RECOM RPX 係列電源模塊雖小但額定輸出高達 4A

在高達 6A 的輸出電流下可選擇RPM 係列，輸入電壓範圍為 4-15V
，輸出可調範圍為 0.9-6V。效率在 99% 時達到峰值，因此電源能在高達 90°C 的環境溫度下可靠工作，無需強製風冷。 

如果電路板空間很有限，RPL-3.0 係列是理想的選擇。該係列的輸入電壓範圍為 4-18 VDC，輸出電壓可在 0.8 VDC 至 5.2 VDC 之間調節。最大連續輸出電流為 3A，這對尺寸僅 3 x 3 x 1.45mm 的轉換器來說是非常出色的。 

以上提到的所有電源都有全麵保護和監控功能
，包括 5G 基站休眠時可通過關機控製進行節能。圖 3 顯示了不同係列的功率範圍。 

圖 3：RECOM 提供的超小型 LGA 電源模塊係列

5G 有望大幅提升通信性能、開發出令人為之振奮的新應用。然而，為了 5G 的可行性以及降低對環境的影響，係統設計人員也意識到必須將能耗降到最低。使用具有高效率和高功率密度
、同時適用於惡劣環境的可靠電源轉換器是實現這一目標的關鍵。RECOM 可以為不同的應用提供各種合適的轉換器。 

文獻: 

[1] GSMA: Global System for Mobile Communications: http://www.gsma.com 

[2] http://www.statista.com/topics/3447/5g 

[3] http://www.mtnconsulting.biz/product/operators-facing-power-cost-crunch/ 

[4] https://recom-power.com/rec-s-RPA150E-EW.html

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