5G时代通信电源系统的挑战和解决思路

王从阁

摘 要：众所周知电源技术作为现今通信技术应用的基础且在大数据时代通信设备的广泛运用促使了其相对应的性能供给需求在一定范围内源源不断的上升，其在极大程度上促使了市场以及民生对于通信电源技术智能化以及高效化的迫切需求。基于现今计算机网络技术各能力结合衍生而出的大数据库在信息汇总梳理应用层面所带来的远超其余技术于便利性以及时效性上的卓越领先，其在极大层面上给通信行业的运转带来了优良的体系建立优势。本文对5G时代通信电源系统的挑战和解决思路进行分析，以供参考.

关键词：5G时代;通信电源;挑战;解决思路

引言

信息化技术的发展带领人们进入了5G领域的大门，这也为生产生活的各个领域带来了更广阔的发展空间，各行各业也面临着新的机遇与挑战。例如在通信电源系统运行时往往会遇到电力引入困难或者机房空间有限等问题，因此在实际研究的过程中，应不断加强对5G架构的了解，进而保证在第一时间解决通信电源系统运行中的问题，使其可以在5G时代中得到全面的提升，为我国5G发展进入新的领域提供条件。

1概述

移动通信技术的更新频率和发展速度非常快，5G作为最新一代移动通信技术，在通信领域得到了大力研究与发展，已经在全球多个国家或地区开始商用。伴随当代通信技术的快速发展，5G移动通信技术也开始在日常生活与工作中得到大量应用。现如今，为了更好地应用5G，我国正在大规模建设5G通信设施。此外，在5G通信技术方面，我国也取得了重大的研究成果，这些成果将在不久的将来得到广泛的普及和应用，大大改善人们的生活方式和生活条件。目前，5G通信设施的建设在我国一些大中型城市进展很快，5G信号在城市的一些中心功能区得到了很好的覆盖，依托于5G通信的新产业将得到迅速发展。在建筑的功能性设计方面，除了现有的2/3/4G通信信号的覆盖范围外，5G信号的覆盖范围将提高智能建筑的功能，让人们体验到更加便捷、实用、舒适的工作与生活。5G作为通信信号覆盖的刚需，应在技术设计中进行合理分配。本文对5G移动通信基础设施设计的主要要点进行了简单阐述，从而对项目建设的需要进行满足。

2 5G通信技术

目前，移动通信的技术通常使用4G，5G作为一种技术的更新和升级，有最快速度的特点，宽带对比之前更大、更高，并开始发挥巨大作用，在持续、迅速提升的移动通信中，还可以与其他通信技术进行无缝连接[2]。它的自适应、自检测和智能化的特性可以满足各领域更高的要求。

3数字控制策略设计

3.1占空比

开关管导通信号通过两路ZCD（ZeroCrossDetection）信号获得，关断信号通过电压环PI输出值获得。STM32G431通过定时器产生两路驱动信号vGS1和vGS2。在变换器实际工作中，由于续流二极管D1，D2反向恢复电流的存在，需要对二极管恢复导通时间进行补偿，增加输入电流平均值，提高输入功率因数。1）两路输入电感电流为CRM模式;2）两路Boost电路驱动信号间180°移相控制;3）输出电压稳定。同时为了便于器件和滤波器设计，需要保证工作开关频率在一定范围之内。

3.2频率

为了保证变换器工作在期望的频率范围之内，需要避免出现过高的开关频率。本文通过对原始采样的过零信号进行3级滤波达到限频的目的，其原理如图6所示（图中通过“叉号”标示每级滤波去除的波形成分）。第一级滤波。利用STM32G431提供的内部比较器COMP1和COMP2将过零点信号采样与设置门限值Vth比较，滤掉反复穿越0点的高频信号。第二级滤波。两路驱动信号vGS1，vGS2与芯片输出的限频信号S1_Lim，S2_Lim相“或”。由此在限频信号周期内，不会再产生清零信号，使得驱动信号vGS1和vGS2频率不超过限频信号频率。第三级滤波。利用STM32G431定时器外部事件的滤毛刺功能进行第三次滤波，滤掉持续时间低于一定值的毛刺信号。

4城市电网典型场景及故障特征

4.1单电源网络场景

辐射状配电网或开环运行的手拉手环网都属于单侧电源供电网络。网络内某一区段发生故障后，故障点上游电流由系统电源提供且单向流动，故障点下游电流为零。系统电源一般为同步发电机，故障电流由内部电动势、内阻抗及外电路等值阻抗所决定。在配电网中，系统电源较强，内阻较小，因此输出的故障电流较大，一般为负荷电流的几倍至十几倍。

4.2闭环运行场景

为了提高供电可靠性，某些大城市的核心区域已开始采用闭环运行方式。该场景一般由系统电源供电，某一区段发生故障后，该区段两侧电源均会向故障点提供电流，方向为母线指向故障点，与输电线路相似。由于配电线路较短，各点电压相位基本相同，故障后线路两侧的电流滞后电压的角度约为线路的阻抗角，因此，故障区段两侧短路电流相位相差不大，幅值则由故障点位置、系统等值阻抗等因素决定。值得注意的是，以上几种场景可能独立存在，如风电送出线路、未接入分布式电源的环网等;也可能互相组合，如分布式电源接入到辐射状、手拉手环网以及闭环结构中，此时需依据实际场景并结合分布式电源类型具体分析。为解决城市新形态配电网面临的保护问题，本文以5G通信作为数据交换通道，围绕分布式纵联保护在城市电网中的应用策略开展研究。分析了单电源网络、含分布式电源网络以及閉环运行网络3种场景下的故障特性，提出了与3种场景相对应的闭锁式纵联保护、幅值比较式纵联保护以及电流差动纵联保护策略，给出了各方案对通信性能以及数据同步方面的具体要求。所提保护策略将为5G在城市电网保护与控制中的应用提供参考。现阶段仍处于5G网络架构的建设时期，5G通信技术还未完全成熟。基于此，对通信受到干扰、失去通信等异常情况暂未考虑。但可以预见，随着5G网络的进一步建设与完善，5G将成为城市配电网中实现分布式保护控制的重要通信方式。

5 5G站点电源改造分析

5.1空调改造原则和建议

空调是5G站点的电源系统中不可或缺的组成部分，主要是对机房进行降温，保证设备的稳定运行。评估机房空调的改造方案时，需要计算出机房空调的总制冷量的需求，空调热负荷对应的制冷量计算如公式（3）。制冷量=设备功耗+机房面积*单位面积制冷功率。（3）单位面积的制冷功率需要根据不同区域的环境而定，不是一个确切统一的数值。5G站点的空调改造建议如下。（1）根据计算出来的制冷量总需求来选择最合适的空调类型和空调数量。（2）在现有基建的条件下，充分考虑空间的限制和安装条件的限制，再决定是新增空调还是替换空调。

5.2开关电源改造原则和建议

5G基站电源系统中开关电源具有三大功能：整流、配电和电池管理。整流是将交流电变换为直流电;配电是合理分配电源系统的交流和直流电能;电池管理是对蓄电池组进行充电和放电的控制。开关电源模块的数量配置原则为N+1，即N个开关电源的总容量需要大于电源系统的电流要求。现有基站中开关电源容量一般为300A或者600A，5G电源系统的直流负荷电流大概在150A左右，若计算总负荷电流大于开关电源容量，可以从以下方面进行改造：（1）若可以通过扩容满足要求，需要使用与原开关电源模块一致的型号来进行整流模块的扩容。（2）若无法新增同型号开关电源，可以考虑替换新的大容量开关电源来实现扩容。（3）若开关电源总容量满足要求而剩余的端子数量不足时，需要通过新增直流配电箱来解决。

5.3外市电改造

（1）若变压器的容量满足要求，而引线线径偏小，则需要更换更粗或者阻抗更小的电缆。（2）若接火点是单相的，则必须将其改造为三相供电。（3）采用配电箱引线的区域，需要改造为变压器引线供电。（4）若电缆满足要求而变压器容量超出负荷时，需要重新建立一路外市电，并配置交流配电箱和开关电源系统。（5）若电缆和接火点都不满足要求，则需要新建一路外市电和配套电源，同时使用两套系统来对基站进行供电。5G站点的电源改造中，外市电的改造是工作量最大的，所以在5G大规模建设的时候，城区里面的5G基站都是移动、电信、联通三家共享的。

6氮化镓半导体的发展及应用

6.1通信领域

5G大功率基站GaN功率放大器主要应用于5G大功率基站中，解决了5G移动网络中面积小但数据流量请求相对集中的问题。MIMO基站氮化镓功放单元实现了从传统4G基站4～8通道至5G大规模MIMO基站64通道的跨越，通道数量提升8倍以上，而整机体积仅增大2倍左右。其主要应用于5G通信32通道及64通道MIMO基站功放中，构成5G网络终端与基站最主要的数据传输场景。5G毫米波基站GaN单片功率放大器，具有超大带宽和超低时延等特点。超大带宽带来巨大的数据传输能力，用于海量5G通信数据的回传;超低时延将用于自动驾驶等对通信延迟要求特别高的全新物联网领域。而毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播，与5G要求完美契合，从而成为5G通信关键技术之一。

6.2电子领域

氮化镓晶体管适用于高频、高压和高温等场合，基于氮化镓晶体管代替硅基MOSFET产生了带有同步整流功能的硬开关半桥DC/DC电源模块。使用氮化镓晶体管可以使DC/DC电源模块工作在较高频率而不会带来效率的大幅下降，同时使用小型LC滤波器即可实现低输出纹波，具有体积小、效率高、纹波小和动态响应速度快等优点。今年小米发布了65W氮化镓的充电器，体积是标配的一半大小。业内认为这标志消费级氮化镓手机电源市场起量。同时低功率快速充电USB电源适配器和游戏类笔记本电脑高功率适配器等也应用了氮化镓材料。随着合适的驱动器、控制器和电源转换模块方案用于服务器、云和电信等更高功率的应用场景，传统材料的技术性能已经发展到了瓶颈阶段，因此，对于新型材料的应用变得越来越紧迫，氮化镓半导体材料的应用为实现这一目标提供了可能性。

7通信电源技术突破市场需求

7.1更高的输出功率

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40W～80W上升到200W甚至更高，同时由于处理的数据量大幅度增加造就了对应的设备处理数据基数的喷涌膨胀，其功率已经超过1000W，然而为了确保原有的信息处理功率其对于机械运转效率的要求不断拉升，进而导致其对于设备的运转的输出功率有着更为严苛的要求。同原有4G通信基站供电的通信电源输出功率2000W～3000W相比，现今复合型的电源供给基站不仅是设备构成可谓是错综复杂，其输出功率的类型以及份额可谓是参差不齐。在追求输出功率提升的同时仍旧需要依据不同类型的通信设备需求从而配给通信电源供给，其在极大程度上加剧了输出功率拉升的技术困难程度。

7.2设备散热保障

通信设备的使用离不开电力的供应，而在这一过程中的安全隐患，是大多数企业往往会疏忽的地带。但一旦安全隐患被触及，导致隐患升级转变为严重事故，其不仅会对企业造成意外且庞大的经济损失，还会对企业的安全保障声誉造就恶劣影响，进而影响消费者对公司的产品主观上失去好感。无论是何种后果，对于企业的影响都是不容忽视且不容小觑的，因而围绕通信设备电源供给体系构筑当中的散热环节需要企业以及政府做出针对性管控。但现今市场多数应用的散热技术在多数情况下无一不面对着耗能大与成本高以及散热效率不尽如人意的技术困扰，其进而造就了市场对于散热技术的性能优化以及安全保障等多方面的技术革新需求。

8提高5G通信电源稳定性的重要举措

8.1 DC机房电源

在直流稳压电源（DC电源）的信号、电压转变期间，可利用5G技术监控变压器、整体电路、滤波电路、稳压电源等组件，以便在协调各组操控数据的过程中监控出机房运行元件的功能和状态，具体可从以下几方面进行优化：第一，需要在核心区域加装边缘机房，并固定边缘机房的位置在开关电源附近。在此期间，技术人员需应用“双电源系统”机组进行持续供电。例如在电源设计期间，智能化技术可整合开关电源（A、B）的电源信息，依据主体控制设备、备用控制设备进行电源分配;在UPS系统应用期间，系统可自行将并机供电模型分为A端和B端，再将得到的控制数据上传至ICT设备中，以便更科学的对不同机组、机房元件进行持续性供电。若部分网端设备的供电异常时，5G技术可自动关闭并标识故障区域，启动备用供电、用电装置，控制后期维修期间网元系统掉线的几率。第二，5G系统改变了信息交互、网元数据的集成模型，有利于提升整体组网的供电安全性。由此可见，为了凸显出直流供电的控制要求，需要技术人员分析不同直流供电系统、交流供电系统的运行特点，可方便在供电、用电期间得到稳定的电源供应方式。第三，电网系统的不断完善，改变了供电规划及区域性的供电要求，尤其是公共电网的逐步稳定，也提升了电网信息的交互、传递效率。因此，为了营造出安全的通信电源供应模式，可建立主体、备用双向的通信电源供应系统，充分协调HVDC的信息框架，再从混合组网的用电规划监控出通信电源的投入状况，可满足不同区域的市电供应需求。总之，为了提升配电系统的运行稳定性，技术人员需要协调变配电系统的运行状况，探讨机组的保养要点和变配电器的使用要点，方便后期增容扩建技术的进行.

8.2电力扩容系统的优化措施

为了提高电力扩容系统应用的合理性，技术人员应当注意不同区域的用电状况和用电量，总结地区用电峰值的实际特征，再给予必要的供电控制，能为市电波谷的储能控制、峰值监控提供有效的数据。在此过程中，若用电峰值存在缺口问题时，应采用分段控制的模式分析出用电峰谷数据，有利于提升扩容系统的可靠性和稳定性。

结束语

综上所述，5G时代的到来给通信建设的发展提出了更高的要求，因此为不断满足时代建设的通信需求，应不断加强对通信电源系统的建设与优化，进而不断推动相关系统运行的高速化、多样化以及集中化发展。在实际建设的过程中，要加强对通信电源系统面临挑战的了解，有效解决其在DC机房电源、无线侧电源、电力扩容以及拉远距离等方面的技术问题，进而不断提升电源基础资源系统的稳定性与安全性。

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