5G基站新型開關電源設計方案

李毅明

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

5G的重要特點是覆蓋面積雖然不大但是頻率較高，站點分布往往能夠展現出特大容量。5G基站建設大量使用基帶處理單元，供電時原有的基站將會以交流電220 V的方式輸入，而直流電則會以48 V輸出。同時，要考慮到5G涉及的母站和子站關系。子站將采用HVDC 240～380 V輸入方式，AC 220 V或者DC 48 V的輸出方式[1]。這兩種方式相對連貫，是目前常用的一種基站輸入及輸出方式。輸入輸出設備相互獨立，設備占用空間較大。因此，重點探討如何設計新型5G基站開關電源，根據開關電源的需求減少電能的轉換，降低電能損耗和占地面積。

1 5G組網模式的發展和設備之間的供電現狀

5G移動通信網絡目前停留在概念階段，傳統的2G、3G、4G網絡的覆蓋往往以宏觀基站為主要站點，輔助使用主微站。主站和微基站之間相輔相成，宏基站則采用更大的網絡覆蓋補充盲區，采用更高的流量來吸收話務量和數據流量。5G要考慮超大密集和超低時延的網絡連接需求，因此商業區域和熱點區域業務需求高的區域應該獲準更加靈活地安排多個微基站。事實上，完全能夠滿足5G需求的微基站數量的現存量和預計量之間有很大差異，雖然微基站的供電保障要求不高，但是目前在數量上和供電保障網絡體系的建設方面還存在著很大差距。面對5G時代的全面到來，基站在室外使用的頻率越來越高，覆蓋半徑會隨著頻率的上升而逐漸縮小[2]。無論是何種模式的基站，它的數量都會成倍增加。人們必須考慮5G通信網絡技術對網絡重要組成形式的新需求，尤其是隨著基于LTE移動通信網絡演變形式和互聯網之間無縫對接的技術需求，5G時代要求物聯網采用不可間斷的業務逐漸加強，對微基站和宏基站之間的密切連接，希望能夠縮小差異，提升備電水平。

2 多種基站供電方案的優選

2.1 傳統基站48 V開關電源

長期以來，傳統基站使用市電引入和開關電源相連接的模式。在傳統的網絡連接需求并不是很大的情況下，傳統開關電源完全能夠滿足傳統基站的需求。電源開關在電源設備上可劃分為交流配電、直流配電和監控及整流配電。電源開關往往以交流配電輸入380 V或者220 V的交流市電，輸出時配電連接到整流部分后接收信號，且在交流電后進行轉化[3-4]。為了在輸出時能夠更少損耗電量，一般收到交流電后的額定轉換電壓為48 V傳統基站的電壓范圍。因此，需在45～58 V直流電通過母排連接傳送到直流電的配送部分后，蓄電池更好地連接直流電配電單元系統。這種方式已經能夠滿足傳統通信設備不間斷的持續供電，但是在5G時代，人們對網絡連接需求越來越多，同時對網絡連接時延的要求越來越短，使得不同類型、不同規模基站對電源開關和通信設備不間斷供電的需求越來越高。不僅需不間斷供電，而且供電總額也會大大增多，顯然傳統基站方式已經不能滿足開關電源的新要求。

2.2 5G基站供電方式的設想

5G時代的概念性要求能夠隨著拉遠主站和微基站之間的關系，增加微基站的整體數量來滿足基站供電方式的集中供電和分散供電的需求。也就是說，5G通信網絡技術往往需要集中交流，不間斷供電。集中供電和高壓直流供電之間的關系，需要考慮分散供電和市電輸入后的備用電問題。5G時代擁有數量極多的基站，微基站的使用和注入可能會采用小型UPS供電系統和刀片式開關電源及蓄電池的組合[5]。目前，這種方式已經開始實驗性的嘗試使用，將借助高壓直流電的遠距離供電，同時會沿用輸入和輸出電源的優點。事實上，高壓直流電能夠遠距離供電并不是人們最新發現的事實，在很早以前就有嘗試使用高壓直流電來遠距離供電的案例。5G時代強化了大量微基站的建設，微基站建設與人口非常密集的區域交流電纜的引入，可能會因為電纜的過于密集造成觸電事故。因此，高壓直流電源供電電纜非常適用。這是因為高壓直流電源供電電纜，其電壓對地懸浮，觸摸單擊并不會造成觸電現象，是一種安全性能更高的直流電源距離供應方式[6]。而高壓直流電源遠供母站市電斷電時，蓄電池也會緊急啟用進行子站的供電，從而保護子站在具有電力保障的同時，源源不斷提高網絡質量，且不影響用戶的感知。

3 新時期新型5G開關電源方案

正是基于高壓直流電源供電優勢的基礎，人們考慮如果使用光電復合電纜一次布線就可以同步解決供電和傳輸的問題，且在施工流程方面不僅建設成本更低，而且簡化了施工流程。這為5G需要的新型開關電源方案提供了基礎和可能。直流遠供電從母站的開關電源上獲取DC 48 V電壓后開始轉化和供電，當其轉化為245～380 V電力后，將會通過電力電纜傳送到最遠端的轉換模塊，之后又會將其電能轉化為220 V或者48 V的輸出電能。這要求5G移動通信網絡的遠端轉換模塊能夠根據子站設備的規格和型號選擇快速的遠端轉化方式。實驗操作者認為，5G基站開關電源系統應該保持市電正常時由多個穩定的48 V開關電源供電，母站直流遠供端將電能轉化為240 V或者380 V的高壓直流電。在輸送過程中，要考慮到遠端子站的使用需求。電能的轉化過程中必然會有耗損，5G基站遠距離傳輸所能承受的耗損量約為15%[7]，這是因為能量轉化在每一次轉化時都會出現耗損，同時要考慮市電發生斷電現象，因此需要有更多更便捷的備電開關需求。

5G新型開關電源將開關、電源、直流遠供三者深度融合。這種融合采用控制切換模塊、開關電源模塊、HVDC開關電源模塊以及可配置的基站供電模塊。為了實現5G新型開關電源的功能，必須考慮增設HVDC控制切換模塊和同步的HVDC開關電源模塊。5G新型開關電源的原理和結構中，必須要保證HVDC控制切換模塊有不同路徑的輸入和輸出。一般會采用2路輸入結合1～2路輸出的方式，以保證電能在接入到開關電源后，其遠端輸入端和輸出端可以在模塊設置下自動切換[8]。緊急情況下，可以采用手動設置市電輸入或輸出。一般來說，輸入時采用220 V電壓輸入，輸出時采用48 V方式輸出。設置在自動切換檔位時，一定要保證切換質量。如果電能出現異常供電，那么立刻自動換擋到48 V蓄電池供電，保證子站的穩定輸出。另外，新型5G基站建設要求的HVDC開關電源必須包含相應的監控和顯示單元，才有助于監控人員和管理人員快速得到輸入和輸出配電的有關數據。基站新型的開關電源市場空間和更低損耗的供電需求，將會為未來遠距離供電節約更多電能成本，因此市場前景廣闊。

4 結 論

通過分析5G網絡連接基站在新型開關電源，簡述其原理和連接結構，尤其是在發生異常供電時的處理。新型的基站開關電源，不僅能夠保證節能減排，而且可以每年節約8%的用電成本。因此，在新建基站的時候或者改造原有基站時，都應該考慮這種維護單位改造時的新型開關電源，再結合高壓直流遠供技術，完備其基礎資料和功能。