引言
5G有望為全互聯(lián)社會(huì)帶來(lái)無(wú)數(shù)新的應(yīng)用，而使數(shù)據(jù)傳輸呈指數(shù)性地增長(zhǎng)。與此同時(shí)，5G NR（新空口）的設(shè)計(jì)需要支持?jǐn)?shù)十億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備，這又會(huì)推動(dòng)全球網(wǎng)絡(luò)中的基站數(shù)量大幅增長(zhǎng)。基站數(shù)量增加就需要提供更多的電力，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量也會(huì)增加，但是同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商卻在降低能源成本方面面臨著環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙重壓力。
本文將介紹這些挑戰(zhàn)，以及Flex等機(jī)構(gòu)如何通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換和高效小型電源解決方案等創(chuàng)新技術(shù)來(lái)幫助運(yùn)營(yíng)商和數(shù)據(jù)中心所有者解決這些問(wèn)題。
5G概述
隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和虛擬現(xiàn)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(duì)數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)和永不滿(mǎn)足的渴望。鑒于此，2015年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了5G規(guī)范（圖1），其中包括許多苛刻的要求，包括高達(dá)20GB/s的峰值數(shù)據(jù)速率（比4G快10到20倍）、超低延遲，以及連接密度高達(dá)100萬(wàn)臺(tái)設(shè)備/km2。
圖1：5G所選關(guān)鍵性能指標(biāo)
（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(shè)計(jì)人員采用了許多革新技術(shù)，包括：
· 具有波束成形的大規(guī)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(guī)范所需的巨大帶寬
· 包括網(wǎng)絡(luò)切片在內(nèi)的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)管理功能，從而允許為特定應(yīng)用定制服務(wù)
互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)性
一些分析師預(yù)測(cè)，到2023年底，數(shù)據(jù)速率將達(dá)到每月近107艾字節(jié)（EB）（復(fù)合年增長(zhǎng)率為39%）。此外，2011年的一項(xiàng)參考研究計(jì)算得出，每GB的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)使用，就需要大約5kWh的電能支持——如果功耗隨數(shù)據(jù)的使用量呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，那么這一數(shù)據(jù)將導(dǎo)致一些驚人結(jié)果。
因此，如果5G技術(shù)要兼具環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)可行性，那么其功耗就需要大幅降低。接下來(lái)的章節(jié)將研究5G的一些能源成本驅(qū)動(dòng)因素，以及一些降低5G能耗的潛在解決方案。
運(yùn)營(yíng)商和數(shù)據(jù)中心所有者面臨的具體挑戰(zhàn)
5G的推出將給網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。
在網(wǎng)絡(luò)方面，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等應(yīng)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(shù)量的大幅增長(zhǎng)。并且，由于采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，5G基站將會(huì)擁有多達(dá)64個(gè)發(fā)射器。在沒(méi)有采取任何效率措施的情況下，對(duì)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(yuǎn)單元（RRU）的300W輸入功率要求將轉(zhuǎn)變成1100至1500W。鑒于基站已經(jīng)占網(wǎng)絡(luò)總功耗的60%，運(yùn)營(yíng)商的能源成本估計(jì)為運(yùn)營(yíng)支出的15%，這樣大的功耗將不可持續(xù)，5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(jí)別，RFPA設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地從LDMOS轉(zhuǎn)移到這種器件。同時(shí)，包絡(luò)跟蹤/恢復(fù)（ET/ER）RFPA已成為關(guān)鍵的RFPA設(shè)計(jì)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)具有高峰均功率比（PAPR）的調(diào)制信號(hào)的高效和線(xiàn)性放大。ET/ER需要采用非常高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器，從而與已調(diào)RF輸入信號(hào)的幅度變化同步改變寬帶RFPA的輸出偏壓。
在數(shù)據(jù)中心方面，需要增加處理能力和存儲(chǔ)容量來(lái)處理不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量，也就是說(shuō)需要采用更多的服務(wù)器、機(jī)架、電源、冷卻以及空間。然而，一些研究報(bào)告估計(jì)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心面臨著巨大的壓力，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(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商面臨著將更多功能集成到更小空間和降低能耗的雙重挑戰(zhàn)。雖然在這兩種環(huán)境中都存在超簡(jiǎn)潔（ultra-lean）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和虛擬化等能效技術(shù)，但數(shù)字電源管理和DC轉(zhuǎn)換技術(shù)已改變了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了更高效、緊湊的服務(wù)器等電子設(shè)備。數(shù)字電源模塊結(jié)合了數(shù)字通信和高密度、高效率模塊化DC/DC解決方案的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(fù)雜的電源設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)換器
（來(lái)源：https://flex.com/expertise/power/scalable-power-module）
Flex數(shù)字電源設(shè)計(jì)解決方案
Flex電源（Flex Power）于2017年收購(gòu)了愛(ài)立信電源模塊，愛(ài)立信電源模塊在為電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供電源解決方案方面擁有超過(guò)40年的業(yè)績(jī)記錄。Flex的DC/DC電源產(chǎn)品具有高效率（目前高達(dá)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(guī)格，為5G的挑戰(zhàn)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(zhuǎn)換器和非隔離負(fù)載點(diǎn)（PoL）轉(zhuǎn)換器，以及面向處理器和交換機(jī)刀片等高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu)（ATCA）應(yīng)用的電源接口模塊（PIM）。
針對(duì)RFPA應(yīng)用的特定挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)了一系列產(chǎn)品，包括PKJ系列（可提供28V或50V標(biāo)稱(chēng)輸出電壓，效率高達(dá)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器）等。
針對(duì)數(shù)據(jù)中心，推出了完整的數(shù)字電源方案，包括：
》BMR480和BMR490系列產(chǎn)品，1000~1300W數(shù)字DC/DC隔離轉(zhuǎn)換器，最高效率達(dá)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(zhuǎn)換電源產(chǎn)品，減小電源部分的占板面積，系統(tǒng)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(zhuǎn)換器）產(chǎn)品，直立設(shè)計(jì)減小占板面積，優(yōu)化散熱方式。
》開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換方案的IBC產(chǎn)品，48V轉(zhuǎn)12V，效率大于98%
Flex Power Module還配套提供了一套先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)工具，F(xiàn)lex Power Designer軟件（https://flexdigitalpowerdesigner.com）。該軟件工具使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行包括熱建模、動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)優(yōu)化在內(nèi)的詳細(xì)仿真，進(jìn)行系統(tǒng)效率評(píng)估，可最大限度地減少電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)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(jié)
5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)可行性越來(lái)越依賴(lài)于高級(jí)數(shù)字電源技術(shù)。Flex電源模塊是全球領(lǐng)先的數(shù)字電源解決方案供應(yīng)商，提供端到端的數(shù)字產(chǎn)品組合，包括PIM、隔離磚式和數(shù)字POL模塊，以及越來(lái)越多的針對(duì)RFPA應(yīng)用的產(chǎn)品。同時(shí)，F(xiàn)lex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?yàn)閯?chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的研發(fā)縮短設(shè)計(jì)周期并加快產(chǎn)品上市速度。