《5G基站电源设计面临的挑战及优化策略.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5G基站电源设计面临的挑战及优化策略.docx（15页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、5G基站能耗高的原因目前5G基站能耗主要集中在基站、传输、电源和机房空调四部分，而其中基站的电费支出占整体网络能耗的80%以上。而在基站能耗中，负责处理信号编码的基带单元（BBU）的功耗相对较小，射频单元（RRU/AAU）的功耗相对较大。根据去年华为发布的5G电源白皮书显示，从4G演进到5G,虽然单位流量的功耗大幅降低了，但是5G总功耗相比4G还是大幅增加的。预计在5G时代，64T64RAAU最大功耗将会达到100O1400W,BBU最大功耗将达到2000W左右。在5G时代，一站多频将会是典型配置，预测5频以上站点占比将从2016年3%增加到2023年45%o一站多频将导致整站最大功耗超过IO
2、kW,10频及10频以上站点功耗超过20kW,多运营商共享场景下，功耗还将翻倍。5G基站相比4G基站功耗提升了3倍以上，加上由于覆盖范围的衰减，5G基站的需求量成倍增加，因此，对于运营商而言，5G基站的高功耗成为了制约5G建网的首要原因。随着5G网络走向低/高频混合组网，为满足网络容量增长的业务需求，大量的末梢站点将会被部署，网络站点数量将会出现大幅增加，整个网络的功耗将会呈倍数增长。5G时代电源设计面临的挑战基站电源主要是分成三级的，一般来说基站的供电电源是220V的市电。第一级是将220V转换到-48V；第二级一般是使用模块电源，将-48V电压转换成给PA供电的48V,或者28V电压；第三
3、级是板级电源，从12V转换到给各个芯片，模拟电路、数字电路等所需的电压。由于5G基站能耗的增加，电费成为了运营商不可忽视的一个因素，运营5G基站的运营商会越来越关注基站的耗电量。因此，如何帮助运营商节省电费变成了一个重要的话题。那么要节省电费，电源的设计就是一个绕不开的话题。5G时代的到来，对电源设计的影响是非常明显的。主要三方面的影响：首先是对新材料、新拓扑结构，以及高性能器件的使用将会更多。如果想要提升效率，节省电费，那么使用的元器件就不可能跟3G/4G时代那样对成本要求那么严格，必然需要用到性能好的器件、好的拓扑结构、好的材料。其次，是总线电压将会提升。由于耗电量增加了，电源设计也发生了
4、一些变化，比如之前都是使用48V电压的通信总线不得不提升到72V,这样就会导致开关电源（DCDC）的输出端电压发生变化。还有可靠性问题也更受到关注。由于基站有个很重要的特点就是投入运营之后，基本上就是无人值守了，因此不论是设备供应商，还是运营商对可维修性、可远程监控性、以及低故障率的要求远远高于其他行业。自2019年，5G应用进入商用元年，国家政策对5G基站建设的重视度不断上升。据工业和信息化部最新统计，截至4月末，中国已建成5G基站161.5万个，成为全球首个基于独立组网模式规模建设5G网络的国家。5G基站占移动基站总数的16%。中国5G基站总量占全球60%以上，每万人拥有5G基站数达到10
5、.1个，比上年末提高近1倍。而配合5G基站电源产品也得到广泛应用。5G基站电源应用情况5G基站电源主要由给PA供电电源和板上电源两部分组成。尤其是在MIMO里面由于通道数增多，PA功率提升很快。给PA供电电源主要是从.48V经过电源来实现。另外在板上还有很多诸如ASle/FPGA等功耗比较大的处理芯片，对整机的功耗也有很大的影响，同时也有给其它诸如接口等供电的电源。一般来讲，5G基站功耗是4G基站的34倍，AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因。由此也带来运营商电费的直线上升，因此5G的功耗控制，对于运营商和设备商来说，是一个非常紧迫的问题。详见下表4GRRU与5GAAU所需的电源功率。4G5
6、G4GVs5G能称比较2T2R4T4R32T32R64T64RPowerRating320W7W1(XX)W16W目前5G基站的部署量在高速增长，在可持续发展的时代背景下，5G基站也会更小，更轻，更加绿色。电源方案的功耗，效率以及面积是重要影响因素，5G基站电源的主要部分都有很大的优化空间。针对功耗问题，目前主要的应对举措包括：采用更高效工艺制程的芯片、更节能的器件材料，引进更科学的散热方法，以及通过更先进的功率封装技术进行节能提升效率。这方面的市场空间仍是非常大的。5G基站主要分为宏基站和小基站。小基站对于宏基站而言，更多是为了扩容需要，导致电源替换效率要更高，比如要达到98%以上的变换效率
7、。二是它的功率密度提升,在更小的体系能够支持更多的功率输出。随着数量的爆炸性增长,小基站为应用场景会带来了功耗增加、电力引入困难、电池存储能力增加等挑战,同时也面临着主机问题、空间安装问题、升级改造问题等。另一方面，随着数量增加之后，设备种类增加，运维费用也会逐渐增多。类似于自动驾驶以及远程医疗等新业务对5G基站的提出可靠性和高效更高要求。熊勇认为，对于小基站点会要求更小型化、轻型化，并且容易安装、快速部署，同时能够节省工程费用和改善运维方式。05G基站电源模块开发和设计面临哪些新挑战？总的来说，目前5G基站电源模块在开发和设计上主要面临效率、功率密度、可靠性和散热等挑战。功率密度方面，由于板
8、上器件物料越多，功耗越来越大，而未来又有基站小型化的需求，因此电源功率密度需要更高，目前主要通过更高的开关频率来减少外围器件的面积。安森美于近日推出的业界首款临界导通模式(CrM)PFC控制器NCPI680,以及连续电流模式适用于图腾柱PFC的NCP1681,可以灵活配合GaN实现99%效率的高功率密度5G基站电源方案。5G基站设备站点部署逐渐增多，那么对于供电需求大幅增加，节能减排的需求越发明显。因此，需要提高重载和轻载时的效率。另外针对目前5G通讯基带芯片70A100A以上的大电流解决方案，安森美也提供了多项电源：多相+智能功率级方案。除了大幅提升系统效率，节省电费的同时，因为封装上兼容其
9、他主流厂商，在今天缺货大环境的情况下也极大地为5G客户保障了multi-source供应隐患。另一大挑战则是质量管控。基站对于可靠性一直具有非常高的要求，而随着功耗的增加，电源芯片功耗越来越大，导致更大的电应力和热应力，给基站的可靠性带来了挑战。据了解，TI本身对可靠性相关测试具有严格把控，而在芯片规格上，产品也有相应的升级，诸如新发布的TPS543620等器件，结温Tj从传统的125C提升到150C,给予实际应用更多的余量。在保护机制上，Tl多相方案均通过多重过流保护或短路保护来提升可靠性。从系统角度来说，智慧监控要求对实际工况进行监控上报。TPS546D24等带有通讯接口的器件也都会上报电
10、压电流，同时发生故障时也会对状态寄存器置位上报，以便于排查。同时，芯片在上电之前会有自检的过程。第三代半导体材料使用占比不足10%第三代半导体主要是以氮化钱(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的新型功率器件。氮化钱一直是基站里制造高射频PA的半导体材料。同样SiC器件Tj温升可以达到175,大幅提升5G基站寿命和可靠性。目前5G基站电源使用第三代半导体材料的占比还小于10%o主要的制约因素还是目前应用方面特别是驱动、PCB布局、封装技术工艺制造以及周边的电感变压器，EMl滤波器等受高频的限制等，再有则是价格和系统可靠性等制约因素。价格方面，第三代半导体还在持续升级并且可以降低30%的损耗，但由于
11、其成本依然高于SiMOS,所以限制了其在通信电源行业的大规模应用。当前市场上基于SiMOS的传统通信AC/DC电源的整体效率普遍可以达到97%,但其效率的提升空间较为有限。基于第三代半导体材料的系统效率就可以达到98%以o通信电源的终端客户目前还是更多考虑成本和效率之间的平衡。针对成本问题，TIGaN创新性的设计出了集成驱动器、保护和温度报告的GaNFET,在提升系统性能的同时也优化了系统的整体成本。据悉,今年五月份国内某大厂已经宣布量产了使用了GaN的3KW超功率密度(I(M)Winch3)服务器电源，相信很快会延伸到更多通讯客户电源方案的革新与换代。可靠性方面，第三代半导体由于其高耐压、高
12、开关频率的特性，对其可靠性提出了很大的挑战。加至通信电源对于整个通信系统的安全运行非常关键，其设计寿命平均为10年以上，对于系统的可靠性有很高的要求。针对可靠性问题，TIGaN通过了硅鉴定标准和JEDEC,并且通过了JEP180,证明TlGaN在元件级和电源应用中均具有可靠性。与之配套的，安森美提供相应的驱动器IC,如NCP51820/NCD57252/NCP51561等，甚至还专门开发了将驱动器+GaN集成一体的系列，可大大简化GaN以及SiC系统设计难度，简化设计。另外，安森美也推出了业界第一款TOLL封装的650VSiCNTBL045N065SClo除了更小尺寸之外，TOLL封装还提供更
13、好的热性能和更低的封装电感(2nH)o其开尔文源极(KeIVinSOUrCe)配置可确保更低的门极噪声和开关损耗，确保在具有挑战性的电源设计中能显著提高能效和功率密度，以及改善电磁干扰(EMl)和更容易进行PCB设计。目前来看，虽然第三代半导体材料使用占比还小，但安森美、TI等国际大厂均提供了相应的解决方案。相信随着下游企业对新器件应用的熟悉，假以时日，第三代半导体一定会逐渐取代原有硅MOSFETo功率器件迎来机遇与挑战整体来说，5G基站设备功耗约为4G的34倍，而且需要部署23倍4G基站数量才可以达到相同的网络覆盖面积，未来5G网络的功耗将是4G的612倍。所以5G基站的高功耗、高密集布站需
14、求就对系统效率、系统散热和功率密度提出了挑战，同时这些挑战也给功率器件带来了更多的机遇。效率方面，相较于SiMoS,第三代半导体GaWSiC的开关速度更快，降低开关损耗，继而提升系统效率。并且在PFC电源设计中，由于GaN没有体二极管，其可以比SiC实现更高的峰值效率。Tl资深现场应用工程师KeVinWen介绍，TlGaN内部集成了驱动器，进一步降低了硬开关损耗。目前基于TlGaN的5KwPFC设计的峰值效率已经可以达到99%o功率密度方面，使用GaN可以减小PCB板上的无源器件的尺寸，缩小布板空间，从而减小系统尺寸和重量。TlGaN在通信AC-DC电源中可以将功率密度从小于50Win3提升至
15、大于100Win30散热方面，TlGaNFET封装的热阻抗比同类封装产品低23%,可以帮助工程师使用更小的散热器，并同时简化热设计。5G基站电源要求高功率密度和高能效，这无疑需要从传统的DC-DCPOL走向multiphasecontroller+Powerstage的趋势，以及宽禁带第三代半导体带来高能效，更小体积的益处。5G基站电源未来的发展趋势及企业市场布局随着5G基站的大规模普及，相应的电源方案的需求也会不停需要提升，甚至更新换代。5G基站电源的发展趋势主要向着解决方案小型化、高频化、高可靠性以及效率提升的目标前进。据悉，目前安森美已经在第三代半导体方面大力布局，包括从基板衬底到最终产
16、品，到封装相关的技术，增加产能，给客户提供越来越多的新产品，以及和客户签订长期供应协议等等。此外，Tl在5G市场有完善的布局与规划，合作客户覆盖全球通信市场，涵盖了通信电源的各类应用，在给客户提供解决方案和技术支持的同时与客户一起规划有竞争力的通信电源产品路标。各产品线为基站电源提供了全套的解决方案。据透露，中兴通讯5G基站电源在全国范围内已占据1/3左右的市场份额。作为5G设备供应商，中兴通讯对主设备、场景应用以及客户有比较深刻的理解。我们会跟咱们的某些产品进行很好的配合，尽量实现全场景的端到端的整体解决方案，保证5G网络安全可靠运行情况下，也实现人员利用的最大化，然后促进人员管理的建设和高
17、效的运维。随着政策和市场应用的改善，5G基站数量正呈爆发式增长，5G基站电源市场迎来广阔空间。随着5G基站小型化、轻型化发展，5G基站电源正面临着更高功率密度、更紧凑的设计和更高能效等要求，同时运维费用也随着增加。这也为5G基站电源应用的进一步优化指明了方向。受制于价格方面的影响，第三代半导体材料的使用占比很小，但未来也会是应用趋势。我们也相信，随着5G网络系统的逐步成熟，自动驾驶、远程医疗、移动通信、数据中心等应用场景也将迎来广阔的市场机遇。众所周知，包括韩国和美国在内的世界多个国家和地区已经率先开启了5G通信。中国也在20多个城市开始了5G通信试点并会在未来大力推广。5G通信的建设方兴未艾
18、。相比于现有的3G、4G通信，5G通信具有超高速率、极低延时等特点。这些特点产生的原因是5G通信采用了更高频段的频谱，以中国为例：4GLTE的频段为1.8GHz2.65GHz,而5G目前公布的频段为3.3GHz-5GHz而未来还会建设高于6GHz的毫米波(mmW)5G通信。根据光速公式：c=v频率V越高，意味着波长越小，对于无线通信，这意味着通信信号的覆盖面积越小。这一方面需要5G通信基站的密度更高，另一方面需要单一通信基站采用MassiveMIMO（64T64R、128T128R等）、beamforming等技术解决信号覆盖面积小等问题。这些新技术和应用对于通信电源的自然散热能力，维护成本等
19、提出了新的需求。同时，5G较为丰富的组网架构和布局方式带来了更多的供电方式及其组合,包括交流（UPS）直接供电、-48V供电、HVDC（高压直流）供电等。由于在很长一段时间内5G的建设还需要兼容（保留）现有3G和4G通信，因此多数采用现有基站和中心局进行改造和升级的方式，这意味着通信电源需要同时给3G/4G和5G通信设备供电，对通信电源的输出功率，功率密度，可靠性等提出了新的需求。本文的第二部分将对这些新需求进行详细论述，针对这些新需求给通信电源设计者带来的挑战，第三部分给出了二科技有限公司的解决方案，以帮助设计者快速、可靠地设计出适合5G通信应用的产品。最后将对本文进行总结。5G通信对电源的
20、要求5G通信的建设给开关电源企业带来了巨大商机。根据安信证券研究中心的数据，5G通信电源的市场规模预计为315亿元人民币。而巨大商机也同时给通信电源设计者带来了新的挑战。2.1 更大的输出功率和更高效率由于5G通信需要采用MassiveMIMO等技术，5G基站的AAU单扇区输出功率由4G的40W80W上升到200W甚至更高，同时由于处理的数据量大幅度增加，BBU（基带处理单元）（或者在5G某些组网模式下被拆分为CU和DU）的功率也大幅增加，其功率已经超过IooOW。对于目前较流行的5G基站组网方式：3扇区AAU+1个BBU,假设AAU效率为20%,那么单单为5G基站供电的通信电源的输出功率大约
21、为：P-out=（3*200）0.2+1000=4000W帘原有4G通信基站供电的通信电源输出功率为2000W3000Wo输出功率大幅提升。根据华为技术有限公司提供的数据，3G（兼容2G）,4G（兼容3G）,5G（兼容3G和4G）基站的功耗如下图所示。增加5G通信后基站电源的功率上升68%o11,577W图1：不同通信制式下基站耗电量对比图5G通信对电能需求增大意味着对通信电源的效率要求更高，从而降低通信运营成本(OPEX),根据中国联通的统计数据，通信数据中心(中心局机房)的OPEX中电费占比达到28%o虽然供电系统的能耗只占通信数据中心总能耗的10%,但是供电系统会加剧制冷系统的负担，以3
22、0KW的系统为例，效率提高5%可以使得电源设备一年减少好点18000度，空调电耗减少7200度，提高通信电源转换效率是通信数据中心的降成本的关键手段之一。5G通信的数据流量相比3G/4G通信变得更加不均衡,某时段流量可能极大,某时段可能小，这意味着通信电源的实际负载范围会从轻载到满载。对于5G通信电源，为了确保在任何负载下通信系统的耗电都达到最低值，效率的要求不再是某一负载下达到最高值，而是要求在很宽的范围内效率都要达到最高值，效率曲线变为较为平稳的直线，如图2所示。100%T0%20%40%60%80%100%负载率图2：5G通信电源效率要求曲线示意图2.2 高功率密度如前所述，对于通信数据
23、中心及宏基站，多数采用现有设备扩容的方式来建设5G通信设备。其中留给用于5G通信需要的电能的电源柜的空间往往极其有限，甚至只能采用原有电源柜。在这些情况下电源柜的输出功率需要大幅度增加。这就要求通信电源模块(通常称其为整流模块)在保持体积基本不变的情况下输出功率大幅度增加，即功率密度提升。例如大量用于4G通信中的3KW输出整流模块尺寸为28Omm*8Omm*4Omm(长*宽*高)，其功率密度为：p=3000(280/25.4)*(80/25.4)*(40/25.4)=55Win3而为了应用于5G通信，在尺寸不变的情况下输出功率需要达到4KW,那么电源功率密度为：p=4000(280/25.4)
24、*(80/25.4)*(40/25.4)=73Win3对于5G微基站，AAU的供电电源采用抱杆设计，例如中兴通讯推出的刀片式5G通信电源(如下图所示)。为了降低整体箱体重量和尺寸，要求内部的电源尺寸尽量小，高度尽量低(甚至低于20mm),相应地电源的功率密度需要大幅度提局。2.3 自然散热在5G通信中，微(小)基站数量将大大幅度增长，根据中信建投证券的分析报告，5G微基站的数量将为6575万至1.64亿。这些微基站的供电电源绝大多数都将被安装在密闭空间内，如图3所示，以满足IP65等防护等级，从而可以被安装在室外、野外等环境。由于被安装于密闭空间，因此这一类通信电源只能采用自然散热（无强制风冷
25、或无水冷）方式。与此同时5G制式下通信电源的输出功率相比3G/4G通信制式更大，这对通信电源的散热设计带来更为巨大的挑战。2.4 高可靠性作为通信系统的心脏，通信电源的可靠性决定了整个系统的可靠性。5G通信将会应用在自动驾驶，智能制造，人工智能等重要场合，因此5G通信中对通信电源系统的可靠性提出了更高的要求。同时，如前面介绍5G通信将出现海量的微（小）基站，若出现批量失效，其维修成本将高的惊人。为了降低维护成本,提高电源的可靠性是对5G通信电源的主要要求之一。总结起来，这些新要求对于通信电源设计者来说挑战非常大，常常使他们加班加点，甚至夜不能寐。2.5 信电源解决方案3.1 大功率和高效率方案
26、对于开关电源来说，能否输出更大功率，决定因素在于功率变换产生得热能否被散掉，能否保持器件的温度稳定在合适值。散热决于两个因素，一是产生的损耗大小，损耗小，那么容易被散掉，反之亦然；二是电源的散热能力，这取决于散热器，风扇（强制风冷）和热路设计。而前者是热产生的源头，更易于解决问题；而后者的决定因素很多，例如环境，结构尺寸等，不易于实施和解决问题。在隔离型开关电源中，依据拓扑的不同，功率半导体器件的损耗约占总损耗的30%80%,因此降低功率半导体器件的损耗对于提高输出功率，同时也是提高效率具有重要意义。对于开关电源中常用的功率半导体器件MOSFET或者IGBT,损耗包括包括开关损耗（半导体开通和
27、关断过程中产生的损耗）和导通损耗（半导体在稳态开通过程中由于导通电阻或者导通压降产生的损耗）。只有将开关损耗和导通损耗都减小才可以降低半导体的整体损耗。英飞凌CooIMOSC7正是这样一款高压MOSFETo如图4所示的CooIMOSC7与CooIMOSCP（上一代开关损耗最小的产品）在2.5KWPFC电路不同开关频率下的损耗对比，从中可以看出CooIMOSC7的开关损耗大幅度降低。而对于MOSFET的导通损耗，其决定因素就是直流导通电阻RDS（On）,在TO247封装内实现600V和650V耐压下RDS（On）小于20mohm（IPW60R017C7,其典型值为15mohm,IPW65R019
28、C7,其典型值为17mohm）当输出功率更大时，即使使用最低损耗的器件也无法将其热耗散掉，此时开关电源往往需要并联功率半导体器件，此时功率功率半导体的参数一致性，特别是门限电压和寄生电容的参数离散性对功率器件的可靠并联影响很大。65kHz图4：CooIMOSC7与CoOlMoSCP不同频率下损耗对比分析图在大功率输出电源设计中必然要求电源的转换效率更高，以解决散热问题。前面介绍的CooIMOSC7可以帮助设计者在不进行其他设计修改的情况下有效地提高效率。图5是CooIMOSC7用在600WLLC电路中与英飞凌之前代产品效率对比情况。-0,3IPP60R180C7IPP60R190P6Compe
29、titor B5101520253035404550负载电流（八）图5：CoOIMOSTC7与前一代产品效率对比图采用近几年出现的宽禁带半导体功率开关如氮化钱晶体管和碳化硅MOSFET则是提高开关电源效率的另一个有效的途径。以英飞凌的氮化钱晶体管CoolGaN为例，采用2颗70mohm导通电阻的IGO60R070D1和两颗33mohm导通电阻的IPT65R033G7组成的电流连续模式(CCM)图腾柱(totem-pole)无桥PFC可以在2.5KWPFC电路中实现宽负载范围内超过99%的效率。电路拓扑及效率曲线如图6和图7所示：图6：采用GaN晶体管的图腾柱无桥PFC拓扑示意图l.099.59
30、9$399.199.J599.1799.0(981TO220等等。这次插件器件本身尺寸较大，且需要留出空间将其装配到散热器上，这又限制了功率密度的提升。英飞凌提出的方案是功率器件采用贴片器件，功率器件及所有贴片器件尽可能焊接到小的子板上，散热器通过压接在功率器件上为其散热。子板再焊接到主板上。但是传统贴片封装都是底面散热，表面为黑色塑胶材料，其热阻很大,压接散热器并不能有效将功率器件的热耗散掉。为了解决这一问题，英飞凌推出了表面散热的功率器件封装，例如DDPAK、QDPAK等等。采用DDPAK封装的功率器件焊接到子板上的示意图如下图所示。PFC二极管8A CooISiCtmLLCPFC开关甘乔
31、 2x50m。4150m图10：采用DDPAK封装的功率器件子板而采用该方案设计的1.6KW钛金版（效率在半载时高于96%）服务器电源演示版如下图所示。其功率密度高达到44WiM30图11:1.6KW高密钛金版服务器电源3.2.2氮化钱配合多变压器的设计前面提到当工作频率提高后，由于基于硅材料的功率半导体寄生参数较大，开通和关断速度较慢，开关损耗（与开关频率成正比）会大幅度增加，损耗增加带来散热器的增大等问题，从而限制了开关频率的提高，无法实现高功率密度设计。而如果采用款基于禁带材料的氮化钱晶体管，情况就大为不同。由于氮化钱晶体管的Qg,Coss等参数只有类似导通电阻的硅材料MOSFET的1/
32、10以下，开关损耗即使在高频下也相对很小。这样使得开关电源工作在高频，提高功率密度称为可能。另外对于工作频率提高后磁性器件损耗增加（根据斯坦梅斯磁损公式，主要是磁损的增加）的解决措施，比较实用的方式是将传统的一个变压器分为两个或多个变压器，一方面利于变压器的散热，另外利于变压器的绕组，降低变压器的成本。多个变压器通过绕组的串并联可以实现变压器电流和损耗的均衡，甚至通过磁集成技术来抵消部分磁蕈，降低变压器的损耗。英飞凌采用GaN晶体管设计的3.6KWLLC电路的演示版的功率密度达到160Wi23,LLC的谐振频率达到350KHz,这么高的工作频率仍可实现超过98%的效率1引，若采用硅材料功率开关
33、是无法实现的。演示版如下图所示。Il图12：使用GaN的3.6KWLLC转换电路33自然散热方案设计女子一个通过自然散热方式的通信电源，首要考虑的是如何让主要发热器件可以通过外壳进行散热，从而将温度控制在规格范围内。开关电源的两个主要发热器件是功率半导体和磁性元件。对于功率半导体器件，传统的插件封装器件不适合用于5G通信电源中，所以最适合自然散热的封装是大尺寸贴片封装的功率半导体，例如英飞凌公司的DDPAK封装和To-IeadleSS封装，如图12所示。前者由于是表面散热，因此可以将其焊接与PCB板上后通过导热绝缘膜直接压接与机壳上，散热效果非常理想。后者由于其焊接面尺寸大，与PCB焊接后散热
34、效果相比其他封装也是大大提升。图13：英飞凌DDPAK,To-LeadIeSS封装图对于磁性元件的散热，以主功率变换变压器为例，除了可以采用将一个变压器分为两个甚至更多外，还可以改变变压器在PCB上的安装方式，例如将传统焊接在PCB上面的方式改变为PCB开窗，将变压器下沉，这样变压器可以通过下表面与机壳接触来散热，甚至通过上下表面同时与上下机壳接触来散热，如图13和14所示。图14：传统变压器安装方式图15：自然散热条件下建议的变压器安装方式3.4高可靠性方案根据IBM2014年提供的如图15所示的开关电源产品维修带来的成本分析,在设计阶段的成本是最低的。因此对于5G通信对其供电电源系统提出的
35、更高可靠性要求，更是需要在设计阶段采取有效的措施来保证产品可靠性。ReliabilitySEeo-ldSdwS XH。二 so。8飞H图16：不同阶段开关电源维修相对费用示意图对于开关电源的可靠性，从以下几个方面进行设计：（1）选用高质量的器件：器件本身的质量是根本，高质量的器件才有可能组成高质量的开关电源。选用正规，信誉好的品牌的器件是设计高可靠性产品的第一步。（2）严格满足器件的规格及降额要求：每个器件都有其规格，绝不可超规格使用。同时为了保证系统的寿命和失效率，还需要有一定的降额。功率半导体,磁性元件的绝缘和电容等的寿命都与其工作温度强相关，如果没有降额其失效率和寿命都将大大上升。业界有
36、IPC9592等标准可作为降额参考。（3）完善测试项目：设计阶段的测试是验证产品可靠性的重要步骤。测试要尽量模拟实际应用工况，例如对于5G通信电源，由于其负载波动会很大，那么动态负载测试就非常关键。对于户外用电源，由于可能会遭受雷击，那么雷击,浪涌测试就非常关键。5G通信的建设给通信电源厂商带来了商机，同时也给设计者带来了更多的挑战。本文首先对这些新的要求和挑战进行了分析，然后以相关产品为例对如何应对这些挑战进行了详细的叙述。5G宏基站电源设计策略对于宏基站，在一次电源和二次电源的优化方面，给出了一些建议。“在一次电源方面，我们看到一个很明显的趋势是要求高效率和高功率密度。现在电源的效率要达到
37、97%,甚至98%的工作效率J要达到这个效率目标，一是需要用到新的拓扑结构，ACDC的拓扑结构将会从有桥PFC,逐渐过渡到无桥PFC,甚至图腾柱拓扑结构；二是必须采用新的材料，包括现在热门的碳化硅MOSFET和氮化像MoSFET；三是高频化，高频化可以提高功率密度，减小尺寸；四是贴片封装更受欢迎，SMD封装成为了主流。对于二次电源部分，新的拓扑结构并不多，更主要的是使用新材料和高频化器件。5G小基站电源设计的建议在小基站方面，认为5G时代的小基站跟宏基站有很大的区别，跟4G时代的微基站和微微基站也略有不同，“现在小基站，有的人也叫分布式基站，在5G时代，射频部分和天线部分，会越来越多地融合在一
38、起，不像以前RU跟天线是分开的，这种紧凑型的设计，对电源的要求是不同的。”认为主要会有以下一些变化：一是需要使用耐压等级更高的器件。如果要做到更加紧凑，那么能够接受的EMl的元件数量就要变少，因为EMl元件一般都是很大。但是EMI元件对射频部分又非常关键，它除了担任电磁兼容部分的任务外，还需要负责输入部分的抗浪涌和雷击任务。“这就像一个跷跷板，如何平衡紧凑，与减少EMI器件后还能承受以前一样，甚至更高的抗浪涌和雷击压力也谈到了现在的一些应对措施，那就是使用耐压等级更高的器件。二是需要采用新封装形式的器件。由于要做得更加紧凑，贴片器件会用得更多。而且由于小基站很多是部署在室外的，基本上不使用风扇
39、，因为风扇的维护成本高，且折旧速度快，因此现在小基站基本都是无风扇设计。那如何才能适应室外的款温度变化呢，这就需要依靠设备的外壳帮助散热。指出，现在不少器件都采用了新的封装来帮助散热，比如顶层散热，或者双面散热的封装。三是在二次电源里面，DCDC部分会有一些新的技术出来，“例如以前大部分的MOS管都是漏极贴在PCB上的，现在有很多的器件是把源极设计在下面。源极朝下，配合漏极朝下的器件，做同步整流BUCk的时候，在EM1、效率、PCBIayoUt等方面都有非常大的优势表示。总结的来说，在5G时代，如何降低功耗是整个产业链都需要思考的问题。高效率、高功率密度、以及高频化将会是接下来业界持续关注的话
40、题。在看来，在效率方面，对通信电源来说，当电源效率提升到一定程度之后，提高效率的任务就会落在射频端，射频端的效率提升一点点的好处将会大于电源部分效率的提升；高功率密度可以让设备的尺寸变得更小，会是业界持续关注的重点；高频化则需要依赖新材料来实现，包括碳化硅、氮化钱、磁性新材料等，因为只有主动器件和被动器件同时高频化，才能实现系统的高频化。对5G时代的电源设计工程师来说，新拓扑结构和新材料是必须要熟悉的，因为碳化硅、氮化线等新材料器件出来的时间并不长，每个厂商推出的器件特性都是不一样的，不像硅器件特性大家都比较熟悉。因此，建议电源设计工程师，尽早熟悉新材料器件、高频化设计，开拓设计思路，以适应未来的电源设计工作。
