5G基站的開關電源設計方案

袁宏謀

（廣西通信規劃設計咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

5G的基站站點多、頻率高以及覆蓋面積較小等特征都使得5G的基站未來會利用許多個BBU池母站來配合拉遠站，同時也會采用微基站的方式來開展組網有關的工作。新型的組網方式會很大程度上改變現有的供電模式，供電的形式將會從原本的基站DC48 V 輸出、AC220 V輸入轉換成為母站DC48 V配合HVDC240～380 V輸出、AC220 V輸入，子站DC48 V或者AC220 V輸出、HVDC240～380V輸入。

1 5G組網發展及設備供電

目前的2G網路、3G網絡和4G網絡大部分都是靠宏基站與微基站來實現覆蓋，其中宏基站為主，微基站為輔，微基站的作用主要是改善宏基站網絡覆蓋存在盲區的現象，同時緩解數據流量與高流量的區域話務量。針對低層的樓房和沿街商鋪等信號覆蓋比較差的地段，可以采取彌補微基站宏網覆蓋盲區的方式。傳統的宏站都有著位置較高、覆蓋面積不廣等問題，而微基站就可以達到覆蓋面積增大的目的。微基站宏網的容量吸熱功能一般用在商業區這些熱門的位置，業務的需求量會更高一些，從事實情況而言，宏站的站址更難獲得，微站的安裝則更加簡便靈活一些，從而擴大話務容量。微站只能幫助宏站的優化，故而供電的要求并不高，依據距離的遠近來合適地使用市電是十分可取的[1]。

5G時代的到來，室外基站越來越普遍，一般以3.4G～3.6G與4.8G～5G為主，基站的覆蓋程度和頻率成反向變動關系，頻率上升，基站的覆蓋程度下降，基站的數量也就不得不有所增多，從而滿足需求。以后的網絡形態也將會是以宏基站和微基站為主，二者相互協調配合，搭配以高站和低戰的組合，全方位提升網絡的質量，其中微基站能夠很好地提高網絡的密度，是當前網絡十分關鍵的構成部分[2]。尤其是隨著LTEV2X、5G物聯網等無法中斷類業務的不斷被應用，逐漸縮小了5G宏站和微站之間的差距，備電的要求也隨著時間的推進而有所提升。

2 基站供電方案對比

2.1 傳統基站48 V開關電源

現階段，在建立傳統基站時，往往采取開關電源和市電引入相結合的方法。以往的開關電源一般由三個部分組成，第一個部分是交流配電，第二個部分則是整流和監控，第三部分則是直流的配電。在輸入程序中，交流配電往往使用電壓值大小為220 V/380 V的交流市電，整流部分會和輸出電流配置連接起來，交流電在匯入整流的部分后，會將交流電轉化成為48 V的額定電壓，再借助直流母排與直流配電板塊進行連接。直流配電板塊會把電能輸送到各個通信設備。

2.2 5G基站供電方式

目前，拉遠站與微基站數量的變化趨勢大致相同，都是在不斷的增加，基站采取的供電方法一般有2類，一類是分散式供電，另一類是集中供電；集中供電又可以被分成兩種，一種是高壓直流遠供，另一種是集中UPS供電。分散供電則有更多的分類，通常可以分成3種，分別是刀片式的開關電源配備上蓄電池、市電無后備供電和小型的UPS供電。

2.3 高壓直流遠供優勢與劣勢

2.3.1 高壓直流遠供優勢

（1）隨著5G的進程不斷被推進，越來越多的微站會被設置在人口密集的地方，如果在引入交流電纜的過程之中不夠細致，極其容易造成線纜的破損進而帶來各類的觸電事故。而高壓直流遠供電纜就可以較好地處理這個麻煩，其能夠讓電壓懸浮于地面，就算不小心觸碰到單極也不會那么簡單地產生觸電意外，從一定程度上大幅度地降低了觸電風險。

（2）采用直流遠程供應的方式，母基站和微型基站都使用一個母站電表，不必再次要求電力公司安裝單獨的電表，簡化了電費的繳費程序，進一步減少了電信企業的人工成本與費用。

（3）高壓直流的遠程供應母站失去了市電之后，蓄電池會自動地維護子站的電源供應，子站具有一定的電力保證功能，可以大幅度提升網絡的質量與用戶的體驗感。

（4）使用光電復合電纜，只需要布置一次線路就能夠大致上處理完成電流供應和電流的運送問題，使得施工的流程與步驟更加的簡便，進一步縮減建造的成本。

2.3.2 高壓直流遠供的劣勢

（1）母站再到子站的電量供應過程之中，可能會涉及到好幾次的能量轉化，在轉化的過程之中會產生一定的能量損失與消耗，從而導致用電成本的提升。

（2）在高壓直流供電的過程之中，母站與子站之間的電纜一旦發生線路斷裂、線路漏電、線路短路的問題，會直接影響到子站的電源，甚至可能使得子站無法得到正常的電源供應，此時可以采取組網的方法進行彌補。

3 高壓直流遠供原理

直流遠供會在母基站的開關電源之上接入DC48 V， 將電源轉換成HVDC240～380 V，再借助電力電纜將轉化后的電源輸送到遠端站點，遠端板塊將HVDC240～ 380 V切換至AC220 V，也可以將前者切換至DC48 V再為通信設施提供電能。遠端板塊主要有兩種，一種是HVDC380 V～AC220 V，另一種HVDC380 V～DC48 V。一般在進行遠端板塊的挑選時應該以子基站設備的功能和型號為基礎，子基站不同，遠端模塊也會不同。

4 新型開關電源方案

4.1 5G基站新型開關電源系統原理

圖1展示了5G基站新型開關電源系統的內部運行原理。如果市電供給配備運行正常的情形下，本基站的通信設施主要的電能提供來源是48 V開關電源，母站直流遠供局的端口會直接對市電進行轉化，讓其成為240～380 V的高壓直流，然后經過相關設備傳送到遠端子基站，子基站的遠端板塊能夠轉化電能，讓電能轉化成AC220 V或者DC48 V的電源，從而為通信設備提供電能。5G母基站只用在電能轉化的過程之中利用新型開關電源進行一次能量的轉化，能量的減損僅僅在8%左右。而以往的直流遠端提供需要經由開關電源先轉化成DC48 V之后，再轉化成HVDC 240～380 V， 總共需要兩次的電能轉化，經過計算，能量的損失與消耗大概等于15.4%。

在市電被截斷之后，48 V蓄電池可以借助ATS的轉換來為DC/DC變換器提供電能，后者可以把48 V的蓄電池電能轉化成為HVDC240～380 V的電能，為子站提供充足的電能。

圖1 5G基站新型開關電源系統原理圖

4.2 5G基站新型開關電源設備結構

5G新型開關電源是直流電源和開關電源遠處供給模式的高效結合，能夠讓兩臺形態與功能不同的兩臺設備結合成為一整套開關電源。這款新型的電源主要使用具有一定模塊的架構，依據功能的不同可以分成4個部分：交流配電、HVDC控制切換板塊、HVDC開關電源、48 V的開關電源。在基站沒有計劃為它的子基站提供電能時，可以不必優化HVDC控制轉換板塊的功能與其開關電源板塊的配置，可以適當地縮減初期的建設投入，從而保證不干擾后續的建設。一旦確定在這個情境之下以后都不會再應用HVDC的時候，可以適當地利用設備未被使用的空間用以嵌入形式的鐵-鋰電池組的安裝。

一般交流配電主要有備用輸出分路與其對應的插座、市電輸入、48 V開關電源的輸出分路、SPD防雷模塊與預防雷電的空開、HVDC開關電源輸出分路等。HVDC控制轉換板塊能夠實現自動化的切換，同時也支持手動編輯與設置。在轉接為自動切換檔，當市電滿足條件的時候HVDC開關電源可以將市電作為首要考慮的用電來源，當市電出現供電故障的時候，HVDC應該使用48 V的蓄電池來提供電能。

4.3 5G基站新型開關電源市場空間

現如今我國一共有近190萬個基站，預期幾年之后，運營商會新建設幾百萬個5G基站。5G新型開關電源的應用能夠大幅度提升4G拉遠站、5G拉遠站、微基站HVDC的電能供給速率與效用，減少大概8%的用電耗費。根據每個拉遠站和每個微基站2500元一年的耗電費用來計算，每個基站每年大約能夠節約200元電費，而200萬個基站一年總共可以節約4億元左右的耗電費用，非常符合國家與企業能源的節約排放的減少，具有非常好的發展趨勢。

5 結 論

經過對5G網絡連接基站中新型開關電源應用的分析與研究，簡單地描述了其中的機理與相關的連接架構。新型基站開關電源一方面可以確保能源的節省和排放的減少，另一方面在用電的成本方面一年僅為傳統電源應用情況下的92%。因此，在建設新基站或者對原有基站進行改造時，應優先考慮新型開關電源的應用，并引入高壓直流遠供技術，進一步補充完善基礎建設，優化其功能。