5G基站的开关电源设计方案

 2020年2月10日第37卷第3期Telecom Power TechnologyＦｅｂ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　３　doi：10.19399/j.cnki.tpt.2020.03.097通信技术5G基站的开关电源设计方案袁宏谋（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530007）摘要：确保开关电源以及远程直流供电电源系统高效运行最为关键的一点就是5G时代的基站新型开关的设计。因此，主要分析了5G基站的开关电源设计方案，以供参考。关键词：5G基站；开关电源；直流远供；HVDC（高压直流）The design of switching power supply for 5g base stationYUAN Hong-mou（Guangxi Communication Planning and Design Consulting Co.，Ltd.，Nanning 530007，China）Abstract：The key to ensure the efficient operation of switching power supply and remote DC power supply system is the design of new base station switch in 5g era. This paper mainly analyzes the design of the switch power supply of 5g base station for reference.Key words：5g base station；switching power supply；DC remote supply；HVDC0 引 言5G的基站站点多、频率高以及覆盖面积较小等特征都使得5G的基站未来会利用许多个BBU池母站来配合拉远站，同时也会采用微基站的方式来开展组网有关的工作。新型的组网方式会很大程度上改变现有的供电模式，供电的形式将会从原本的基站DC48 V 输出、AC220 V输入转换成为母站DC48 V配合HVDC240~380 V输出、AC220 V输入，子站DC48 V或者AC220 V输出、HVDC240~380V输入。互协调配合，搭配以高站和低战的组合，全方位提升网络的质量，其中微基站能够很好地提高网络的密度，是当前网络十分关键的构成部分[2]。尤其是随着LTE-V2X、5G物联网等无法中断类业务的不断被应用，逐渐缩小了5G宏站和微站之间的差距，备电的要求也随着时间的推进而有所提升。2 基站供电方案对比2.1 传统基站48 V开关电源现阶段，在建立传统基站时，往往采取开关电源和市电引入相结合的方法。以往的开关电源一般由三个部分组成，第一个部分是交流配电，第二个部分则是整流和监控，第三部分则是直流的配电。在输入程序中，交流配电往往使用电压值大小为220 V/380 V的交流市电，整流部分会和输出电流配置连接起来，交流电在汇入整流的部分后，会将交流电转化成为48 V的额定电压，再借助直流母排与直流配电板块进行连接。直流配电板块会把电能输送到各个通信设备。2.2 5G基站供电方式目前，拉远站与微基站数量的变化趋势大致相同，都是在不断的增加，基站采取的供电方法一般有2类，一类是分散式供电，另一类是集中供电；集中供电又可以被分成两种，一种是高压直流远供，另一种是集中UPS供电。分散供电则有更多的分类，通常可以分成3种，分别是刀片式的开关电源配备上蓄电池、市电无后备供电和小型的UPS供电。2.3 高压直流远供优势与劣势2.3.1 高压直流远供优势（1）随着5G的进程不断被推进，越来越多的微站会被设置在人口密集的地方，如果在引入交流电缆的过程之中不够细致，极其容易造成线缆的破损进而带来各类的触电事故。而高压直流远供电缆就可以较好地处理这个麻烦，其能够让电压悬浮于地面，就算不小心触碰到单极也不会那么简单地产生触电意外，从一定程度上大幅度地降低了触电风险。1 5G组网发展及设备供电目前的2G网路、3G网络和4G网络大部分都是靠宏基站与微基站来实现覆盖，其中宏基站为主，微基站为辅，微基站的作用主要是改善宏基站网络覆盖存在盲区的现象，同时缓解数据流量与高流量的区域话务量。针对低层的楼房和沿街商铺等信号覆盖比较差的地段，可以采取弥补微基站宏网覆盖盲区的方式。传统的宏站都有着位置较高、覆盖面积不广等问题，而微基站就可以达到覆盖面积增大的目的。微基站宏网的容量吸热功能一般用在商业区这些热门的位置，业务的需求量会更高一些，从事实情况而言，宏站的站址更难获得，微站的安装则更加简便灵活一些，从而扩大话务容量。微站只能帮助宏站的优化，故而供电的要求并不高，依据距离的远近来合适地使用市电是十分可取的[1]。5G时代的到来，室外基站越来越普遍，一般以3.4G~3.6G与4.8G~5G为主，基站的覆盖程度和频率成反向变动关系，频率上升，基站的覆盖程度下降，基站的数量也就不得不有所增多，从而满足需求。以后的网络形态也将会是以宏基站和微基站为主，二者相收稿日期：2019-12-10作者简介：袁宏谋（1983-），男，广西凌云人，本科，工程师，主要研究方向为无线通信工程。·　２１４　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2020年2月10日第37卷第3期袁宏谋：5G基站的开关电源 设计方案Telecom Power TechnologyＦｅｂ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　３　（2）采用直流远程供应的方式，母基站和微型基站都使用一个母站电表，不必再次要求电力公司安装单独的电表，简化了电费的缴费程序，进一步减少了电信企业的人工成本与费用。（3）高压直流的远程供应母站失去了市电之后，蓄电池会自动地维护子站的电源供应，子站具有一定的电力保证功能，可以大幅度提升网络的质量与用户的体验感。（4）使用光电复合电缆，只需要布置一次线路就能够大致上处理完成电流供应和电流的运送问题，使得施工的流程与步骤更加的简便，进一步缩减建造的成本。2.3.2 高压直流远供的劣势（1）母站再到子站的电量供应过程之中，可能会涉及到好几次的能量转化，在转化的过程之中会产生一定的能量损失与消耗，从而导致用电成本的提升。（2）在高压直流供电的过程之中，母站与子站之间的电缆一旦发生线路断裂、线路漏电、线路短路的问题，会直接影响到子站的电源，甚至可能使得子站无法得到正常的电源供应，此时可以采取组网的方法进行弥补。380 V切换至AC220 V，也可以将前者切换至DC48 V再为通信设施提供电能。远端板块主要有两种，一种是HVDC380 V~AC220 V，另一种HVDC380 V~DC48 V。一般在进行远端板块的挑选时应该以子基站设备的功能和型号为基础，子基站不同，远端模块也会不同。4 新型开关电源方案4.1 5G基站新型开关电源系统原理图1展示了5G基站新型开关电源系统的内部运行原理。如果市电供给配备运行正常的情形下，本基站的通信设施主要的电能提供来源是48 V开关电源，母站直流远供局的端口会直接对市电进行转化，让其成为240~380 V的高压直流，然后经过相关设备传送到远端子基站，子基站的远端板块能够转化电能，让电能转化成AC220 V或者DC48 V的电源，从而为通信设备提供电能。5G母基站只用在电能转化的过程之中利用新型开关电源进行一次能量的转化，能量的减损仅仅在8%左右。而以往的直流远端提供需要经由开关电源先转化成DC48 V之后，再转化成HVDC 240~380 V， 总共需要两次的电能转化，经过计算，能量的损失与消耗大概等于15.4%。在市电被截断之后，48 V蓄电池可以借助ATS的转换来为DC/DC变换器提供电能，后者可以把48 V的蓄电池电能转化成为HVDC240~380 V的电能，为子站提供充足的电能。DC/DC变换器直流滤波直流DC48V母站配电通信设备3 高压直流远供原理直流远供会在母基站的开关电源之上接入DC48 V， 将电源转换成HVDC240~380 V，再借助电力电缆将转化后的电源输送到远端站点，远端板块将HVDC240~ 市电EMI滤波器工频整流桥功率因数校正控制器PWM监控模块ATS切换单元监控显示.48V蓄电池EMI滤波器工频整流桥功率因数校正DC/DC变换器直流240~380 VDC滤波电缆传送远端模块子站通信设备控制器PWM监控模块单元监控显示注：远端模块分为HVDC380 V→AC220 V和HVDC380 V→DC48 V两种，需要根据子站设备的规格型号选择不同的远端模块图1 5G基站新型开关电源系统原理图4.2 5G基站新型开关电源设备结构5G新型开关电源是直流电源和开关电源远处供给模式的高效结合，能够让两台形态与功能不同的两台设备结合成为一整套开关电源。这款新型的电源主要使用具有一定模块的架构，依据功能的不同可以分成4个部分：交流配电、HVDC控制切换板块、HVDC开关电源、48 V的开关电源。在基站没有计划为它的子基站提供电能时，可以不必优化HVDC控制转换板块的功能与其开关电源板块的配置，可以适当地缩减初期的建设投入，从而保证不干扰后续的建设。一旦确定在这个情境之下以后都不会再应用HVDC的时候，可 （下转第220页）·　２１５　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2020年2月10日第37卷第3期Telecom Power TechnologyＦｅｂ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　３　出现计算机电源模块前端（滤波器输入）电压抖动。电路启动过程中的电压抖动原因较复杂，可以简化成RLC模型、恒功率负载模型、乒乓开关组合模型。通过仿真，结果显示电源模块前端（滤波器输入）电压出现抖动现象，仿真结果与实测结果一致。分析更改MOS管驱动RC缓冲电路的时间常数τ值=RC，使MOS管在更短的时间内导通，快速建立场效应管输出电流可以有效地解决这个问题。实际操作通过更改τ值以解决电源上电抖动问题。将R17进行短接，测试电源插入任务计算机接入负载。图7为输入电压及冲击电流波形图。不能为DC/DC变换器启动工作提供足够的电流和功率，致使电源模块输出出现了台阶或电压爬升缓慢的现象。图8 τ值-Uc电压图3 处理措施通过分析，故障的根本原因是电源启动电路中MOS管驱动RC缓冲电路的时间参数τ值设置不合理，导致了任务计算机上电异常，产品不能正常启动，对比两种方法，可得短接R17可以有效地解决启动时电压抖动，而且冲击电流更小。经过试验验证，从理论和工程上消除该故障。4 结 论图7 短接R17后输入电压及冲击电流波形图综合分析得出结论，因为MOS管驱动RC缓冲电路的τ值参数设置存在问题。RC充电由τ值决定，τ值小，则驱动电压建立快，MOSFET的导通就快；τ值大，则驱动电压建立慢，MOSFET的导通就慢。输入保护电路中RC缓冲电路的参数决定了电路中的τ值，τ值变化导致的驱动电压变化如图8所示。时间常数τ越大，电路达到稳定的时间越长，过渡过程也越长，使MOS管导通时间过长，不能快速地进入完全导通状态。场效应管输出电流被驱动，（上接第215页）以适当地利用设备未被使用的空间用以嵌入形式的铁-锂电池组的安装。一般交流配电主要有备用输出分路与其对应的插座、市电输入、48 V开关电源的输出分路、SPD防雷模块与预防雷电的空开、HVDC开关电源输出分路等。HVDC控制转换板块能够实现自动化的切换，同时也支持手动编辑与设置。在转接为自动切换档，当市电满足条件的时候HVDC开关电源可以将市电作为首要考虑的用电来源，当市电出现供电故障的时候，HVDC应该使用48 V的蓄电池来提供电能。4.3 5G基站新型开关电源市场空间现如今我国一共有近190万个基站，预期几年之后，运营商会新建设几百万个5G基站。5G新型开关电源的应用能够大幅度提升4G拉远站、5G拉远站、微基站HVDC的电能供给速率与效用，减少大概8%的用电耗费。根据每个拉远站和每个微基站2500元一年的耗电费用来计算，每个基站每年大约能够节约200元电费，而200万个基站一年总共可以节约4亿元左·　２２０　·通过消除任务计算机电源模块上电抖动问题，解决了上电起动异常故障，同时在类似产品电路验证充分，使得任务计算机系统功能、性能达到稳定可靠。参考文献：[1] 马文波，郑宇平.关于单片机不能正常上电复位的解决办法[J].中国科技信息，2006，（6）：123-124.[2] 张旭辉，温旭辉，赵 峰.抵消恒功率负载负阻抗特性影响的双向Buck/Boost变换器控制策略[J].电工技术学报，2013，（11）：195-201，208.[3] 张路路.DC/DC变换器启动时间测试问题分析[J].电子制作，2019，（1）：65-66.右的耗电费用，非常符合国家与企业能源的节约排放的减少，具有非常好的发展趋势。5 结 论经过对5G网络连接基站中新型开关电源应用的分析与研究，简单地描述了其中的机理与相关的连接架构。新型基站开关电源一方面可以确保能源的节省和排放的减少，另一方面在用电的成本方面一年仅为传统电源应用情况下的92%。因此，在建设新基站或者对原有基站进行改造时，应优先考虑新型开关电源的应用，并引入高压直流远供技术，进一步补充完善基础建设，优化其功能。参考文献：[1] 田艳中，郭 杰，周利辉，李忠良.5G实验网基站覆盖能力探讨[J].电信技术，2019，（7）：46-48.[2] 黄建军，黄晓明.5G移动通信特殊成形基站天线设计[J].电信科学，2019，35（7）：47-51.Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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