本文將介紹這些挑戰，以及Flex等機構如何通過(guò)DC/DC轉換和高效小型電源解決方案等創(chuàng )新技術(shù)來(lái)幫助運營(yíng)商和數據中心所有者解決這些問(wèn)題。

 

5G概述

 

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和虛擬現實(shí)等創(chuàng )新的推動(dòng)，目前的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )正在緊跟全世界對數據不斷增長(cháng)和永不滿(mǎn)足的渴望。鑒于此，2015年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了5G規范（圖1），其中包括許多苛刻的要求，包括高達20GB/s的峰值數據速率（比4G快10到20倍）、超低延遲，以及連接密度高達100萬(wàn)臺設備/km2。

 

圖1：5G所選關(guān)鍵性能指標

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

 

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

 

● 具有波束成形的大規模MIMO，將之用于5G無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（RAN）

● 使用30GHz及以上的毫米波頻率，以便提供5G規范所需的巨大帶寬

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

 

互聯(lián)網(wǎng)數據的經(jīng)濟性

 

一些分析師預測，到2023年底，數據速率將達到每月近107艾字節（EB）（復合年增長(cháng)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)數據使用，就需要大約5kWh的電能支持——如果功耗隨數據的使用量呈線(xiàn)性增長(cháng)，那么這一數據將導致一些驚人結果。

 

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

 

運營(yíng)商和數據中心所有者面臨的具體挑戰

 

5G的推出將給網(wǎng)絡(luò )和數據中心運營(yíng)商帶來(lái)諸多挑戰。

 

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

 

射頻功率放大器（RFPA）是5G無(wú)線(xiàn)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設計人員越來(lái)越多地從LDMOS轉移到這種器件。同時(shí)，包絡(luò )跟蹤/恢復（ET/ER）RFPA已成為關(guān)鍵的RFPA設計技術(shù)，可以實(shí)現具有高峰均功率比（PAPR）的調制信號的高效和線(xiàn)性放大。ET/ER需要采用非常高效的DC/DC轉換器，從而與已調RF輸入信號的幅度變化同步改變寬帶RFPA的輸出偏壓。

 

在數據中心方面，需要增加處理能力和存儲容量來(lái)處理不斷增長(cháng)的數據量，也就是說(shuō)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，數據中心會(huì )消耗全球3%的電力并排放2%的全球溫室氣體，鑒于此，數據中心面臨著(zhù)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 )和數據中心運營(yíng)商面臨著(zhù)將更多功能集成到更小空間和降低能耗的雙重挑戰。雖然在這兩種環(huán)境中都存在超簡(jiǎn)潔（ultra-lean）網(wǎng)絡(luò )設計和虛擬化等能效技術(shù)，但數字電源管理和DC轉換技術(shù)已改變了系統設計，從而實(shí)現了更高效、緊湊的服務(wù)器等電子設備。數字電源模塊結合了數字通信和高密度、高效率模塊化DC/DC解決方案的優(yōu)勢，使系統設計人員能夠以小尺寸開(kāi)發(fā)更緊湊、更高效的產(chǎn)品。由于設計人員可以利用電源模塊中的功能以及一系列支持工具，從而擺脫復雜的電源設計，專(zhuān)注于增值產(chǎn)品功能的開(kāi)發(fā)，因此新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的上市時(shí)間得到縮短。

 

圖2：Flex電源模塊PKJ系列DC-DC轉換器

（來(lái)源：https://flex.com/expertise/power/scalable-power-module）

 

Flex數字電源設計解決方案

 

Flex電源（Flex Power）于2017年收購了愛(ài)立信電源模塊，愛(ài)立信電源模塊在為電信和數據中心應用提供電源解決方案方面擁有超過(guò)40年的業(yè)績(jì)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(huì )超過(guò)98%）、高可靠性、可通過(guò)PMBus來(lái)配置和控制模塊電源，以及低至1/16磚尺寸的緊湊規格，為5G的挑戰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轉換器和非隔離負載點(diǎn)（PoL）轉換器，以及面向處理器和交換機刀片等高級電信計算架構（ATCA）應用的電源接口模塊（PIM）。

 

針對RFPA應用的特定挑戰，開(kāi)發(fā)了一系列產(chǎn)品，包括PKJ系列（可提供28V或50V標稱(chēng)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轉換器，48Vin和半載時(shí)的典型效率為95.5%，并具有14V至35V的寬輸出電壓調節范圍），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磚轉換器）等。

 

針對數據中心，推出了完整的數字電源方案，包括：

 

● BMR480和BMR490系列產(chǎn)品，1000~1300W數字DC/DC隔離轉換器，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）的直接轉換電源產(chǎn)品，減小電源部分的占板面積，系統整體效率提高2~3%。

 

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

 

● 開(kāi)關(guān)電容轉換方案的IBC產(chǎn)品，48V轉12V，效率大于98%

 

Flex Power Module還配套提供了一套先進(jìn)的工程設計工具，Flex Power Designer軟件（https://flexdigitalpowerdesigner.com）。該軟件工具使系統設計人員能夠進(jìn)行包括熱建模、動(dòng)態(tài)負載響應優(yōu)化在內的詳細仿真，進(jìn)行系統效率評估，可最大限度地減少電源系統設計錯誤，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而加快新產(chǎn)品的上市速度。

 

總結

 

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

 

 

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