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前言

自2019年，5G應(yīng)用進(jìn)入商用元年，國(guó)家政策對(duì)5G基站建設(shè)的重視度不斷上升。據(jù)工業(yè)和信息化部最新統(tǒng)計(jì)，截至4月末，中國(guó)已建成5G基站161.5萬(wàn)個(gè)，成為全球首個(gè)基于獨(dú)立組網(wǎng)模式規(guī)模建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家。5G基站占移動(dòng)基站總數(shù)的16%。中國(guó)5G基站總量占全球60%以上，每萬(wàn)人擁有5G基站數(shù)達(dá)到10.1個(gè)，比上年末提高近1倍。而配合5G基站電源產(chǎn)品也得到廣泛應(yīng)用。

5G基站電源應(yīng)用情況

5G基站電源主要由給PA供電電源和板上電源兩部分組成。 尤其是在MIMO里面由于通道數(shù)增多，PA功率提升很快。給PA供電電源主要是從-48V經(jīng)過(guò)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外在板上還有很多諸如ASIC/FPGA等功耗比較大的處理芯片，對(duì)整機(jī)的功耗也有很大的影響，同時(shí)也有給其它諸如接口等供電的電源。

一般來(lái)講，5G基站功耗是4G基站的3~4倍，AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因。由此也帶來(lái)運(yùn)營(yíng)商電費(fèi)的直線上升，因此5G的功耗控制，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常緊迫的問(wèn)題。詳見下表4G RRU與5G AAU所需的電源功率。

目前5G基站的部署量在高速增長(zhǎng)，在可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代背景下，5G基站也會(huì)更小，更輕，更加綠色。電源方案的功耗，效率以及面積是重要影響因素，5G基站電源的主要部分都有很大的優(yōu)化空間。

安森美中國(guó)區(qū)通訊與服務(wù)器市場(chǎng)應(yīng)用工程總監(jiān)蔣懷剛認(rèn)為，針對(duì)功耗問(wèn)題，目前主要的應(yīng)對(duì)舉措包括：采用更高效工藝制程的芯片、更節(jié)能的器件材料，引進(jìn)更科學(xué)的散熱方法，以及通過(guò)更先進(jìn)的功率封裝技術(shù)進(jìn)行節(jié)能提升效率。這方面的市場(chǎng)空間仍是非常大的。

5G基站主要分為宏基站和小基站。中興通訊通信電源研發(fā)部總工熊勇認(rèn)為，小基站對(duì)于宏基站而言，更多是為了擴(kuò)容需要，導(dǎo)致電源替換效率要更高，比如要達(dá)到98%以上的變換效率。二是它的功率密度提升，在更小的體系能夠支持更多的功率輸出。

隨著數(shù)量的爆炸性增長(zhǎng)，小基站為應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)帶來(lái)了功耗增加、電力引入困難、電池存儲(chǔ)能力增加等挑戰(zhàn)，同時(shí)也面臨著主機(jī)問(wèn)題、空間安裝問(wèn)題、升級(jí)改造問(wèn)題等。

另一方面，隨著數(shù)量增加之后，設(shè)備種類增加，運(yùn)維費(fèi)用也會(huì)逐漸增多。類似于自動(dòng)駕駛以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等新業(yè)務(wù)對(duì)5G基站的提出可靠性和高效更高要求。熊勇認(rèn)為，對(duì)于小基站點(diǎn)會(huì)要求更小型化、輕型化，并且容易安裝、快速部署，同時(shí)能夠節(jié)省工程費(fèi)用和改善運(yùn)維方式。

5G基站電源模塊開發(fā)和設(shè)計(jì)面臨哪些新挑戰(zhàn)？

總的來(lái)說(shuō)，目前5G基站電源模塊在開發(fā)和設(shè)計(jì)上主要面臨效率、功率密度、可靠性和散熱等挑戰(zhàn)。

功率密度方面，由于板上器件物料越多，功耗越來(lái)越大，而未來(lái)又有基站小型化的需求，因此電源功率密度需要更高，目前主要通過(guò)更高的開關(guān)頻率來(lái)減少外圍器件的面積。

安森美于近日推出的業(yè)界首款臨界導(dǎo)通模式(CrM)PFC控制器NCP1680,以及連續(xù)電流模式適用于圖騰柱PFC的NCP1681，可以靈活配合GaN實(shí)現(xiàn)99%效率的高功率密度5G基站電源方案。

5G基站設(shè)備站點(diǎn)部署逐漸增多，那么對(duì)于供電需求大幅增加，節(jié)能減排的需求越發(fā)明顯。因此，需要提高重載和輕載時(shí)的效率。

另外針對(duì)目前5G通訊基帶芯片70A~100A以上的大電流解決方案，安森美也提供了多項(xiàng)電源：多相+智能功率級(jí)方案。除了大幅提升系統(tǒng)效率，節(jié)省電費(fèi)的同時(shí)，因?yàn)榉庋b上兼容其他主流廠商，在今天缺貨大環(huán)境的情況下也極大地為5G客戶保障了multi-source供應(yīng)隱患。

TI資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Given Ding認(rèn)為，另一大挑戰(zhàn)則是質(zhì)量管控?；緦?duì)于可靠性一直具有非常高的要求，而隨著功耗的增加，電源芯片功耗越來(lái)越大，導(dǎo)致更大的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，給基站的可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

據(jù)了解，TI本身對(duì)可靠性相關(guān)測(cè)試具有嚴(yán)格把控，而在芯片規(guī)格上，產(chǎn)品也有相應(yīng)的升級(jí)，諸如新發(fā)布的TPS543620等器件，結(jié)溫Tj從傳統(tǒng)的125C提升到150C，給予實(shí)際應(yīng)用更多的余量。在保護(hù)機(jī)制上，TI多相方案均通過(guò)多重過(guò)流保護(hù)或短路保護(hù)來(lái)提升可靠性。

從系統(tǒng)角度來(lái)說(shuō)，智慧監(jiān)控要求對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行監(jiān)控上報(bào)。TPS546D24等帶有通訊接口的器件也都會(huì)上報(bào)電壓電流，同時(shí)發(fā)生故障時(shí)也會(huì)對(duì)狀態(tài)寄存器置位上報(bào)，以便于排查。同時(shí)，芯片在上電之前會(huì)有自檢的過(guò)程。

第三代半導(dǎo)體材料使用占比不足10%

第三代半導(dǎo)體主要是以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的新型功率器件。氮化鎵一直是基站里制造高射頻PA的半導(dǎo)體材料。同樣SiC器件Tj溫升可以達(dá)到175℃，大幅提升5G基站壽命和可靠性。

蔣懷剛指出，目前5G基站電源使用第三代半導(dǎo)體材料的占比還小于10%。主要的制約因素還是目前應(yīng)用方面特別是驅(qū)動(dòng)、PCB布局、封裝技術(shù)工藝制造以及周邊的電感變壓器，EMI濾波器等受高頻的限制等，再有則是價(jià)格和系統(tǒng)可靠性等制約因素。

價(jià)格方面，第三代半導(dǎo)體還在持續(xù)升級(jí)并且可以降低30%的損耗，但由于其成本依然高于SiMOS，所以限制了其在通信電源行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前市場(chǎng)上基于SiMOS的傳統(tǒng)通信AC/DC電源的整體效率普遍可以達(dá)到97%，但其效率的提升空間較為有限。基于第三代半導(dǎo)體材料的系統(tǒng)效率就可以達(dá)到98%以上。通信電源的終端客戶目前還是更多考慮成本和效率之間的平衡。

針對(duì)成本問(wèn)題，TI GaN創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)出了集成驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)和溫度報(bào)告的GaN FET，在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)也優(yōu)化了系統(tǒng)的整體成本。

據(jù)悉，今年五月份國(guó)內(nèi)某大廠已經(jīng)宣布量產(chǎn)了使用了GaN的3KW超功率密度(100 W/inch3)服務(wù)器電源，相信很快會(huì)延伸到更多通訊客戶電源方案的革新與換代。

可靠性方面，第三代半導(dǎo)體由于其高耐壓、高開關(guān)頻率的特性，對(duì)其可靠性提出了很大的挑戰(zhàn)。加至通信電源對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)壽命平均為10年以上，對(duì)于系統(tǒng)的可靠性有很高的要求。

針對(duì)可靠性問(wèn)題， TI GaN通過(guò)了硅鑒定標(biāo)準(zhǔn)和JEDEC，并且通過(guò)了JEP180，證明TI GaN在元件級(jí)和電源應(yīng)用中均具有可靠性。

與之配套的，安森美提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器IC，如NCP51820/NCD57252/NCP51561等, 甚至還專門開發(fā)了將驅(qū)動(dòng)器+ GaN集成一體的系列，可大大簡(jiǎn)化GaN以及SiC系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

另外，安森美也推出了業(yè)界第一款TOLL封裝的650V SiC NTBL045N065SC1。除了更小尺寸之外，TOLL封裝還提供更好的熱性能和更低的封裝電感(2 nH)。其開爾文源極(Kelvin source)配置可確保更低的門極噪聲和開關(guān)損耗，確保在具有挑戰(zhàn)性的電源設(shè)計(jì)中能顯著提高能效和功率密度，以及改善電磁干擾(EMI)和更容易進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

目前來(lái)看，雖然第三代半導(dǎo)體材料使用占比還小，但安森美、TI等國(guó)際大廠均提供了相應(yīng)的解決方案。相信隨著下游企業(yè)對(duì)新器件應(yīng)用的熟悉，假以時(shí)日，第三代半導(dǎo)體一定會(huì)逐漸取代原有硅MOSFET。

功率器件迎來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)

整體來(lái)說(shuō)，5G基站設(shè)備功耗約為4G的3~4倍，而且需要部署2~3倍4G基站數(shù)量才可以達(dá)到相同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的功耗將是4G的6~12倍。所以5G基站的高功耗、高密集布站需求就對(duì)系統(tǒng)效率、系統(tǒng)散熱和功率密度提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)這些挑戰(zhàn)也給功率器件帶來(lái)了更多的機(jī)遇。

效率方面，相較于SiMOS，第三代半導(dǎo)體GaN/SiC的開關(guān)速度更快，降低開關(guān)損耗，繼而提升系統(tǒng)效率。并且在PFC電源設(shè)計(jì)中，由于GaN沒有體二極管，其可以比SiC實(shí)現(xiàn)更高的峰值效率。TI資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Kevin Wen介紹，TI GaN內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)一步降低了硬開關(guān)損耗。目前基于TI GaN的5Kw PFC設(shè)計(jì)的峰值效率已經(jīng)可以達(dá)到99%。

功率密度方面，使用GaN可以減小PCB板上的無(wú)源器件的尺寸，縮小布板空間，從而減小系統(tǒng)尺寸和重量。TI GaN在通信AC-DC電源中可以將功率密度從小于50W/in³提升至大于100W/in³。

散熱方面，TI GaN FET封裝的熱阻抗比同類封裝產(chǎn)品低23%，可以幫助工程師使用更小的散熱器，并同時(shí)簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)。

蔣懷剛也認(rèn)為，5G基站電源要求高功率密度和高能效, 這無(wú)疑需要從傳統(tǒng)的DC-DC POL走向multiphase controller + Power stage的趨勢(shì)，以及寬禁帶第三代半導(dǎo)體帶來(lái)高能效，更小體積的益處。

5G基站電源未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及企業(yè)市場(chǎng)布局

隨著5G基站的大規(guī)模普及，相應(yīng)的電源方案的需求也會(huì)不停需要提升，甚至更新?lián)Q代。 5G基站電源的發(fā)展趨勢(shì)主要向著解決方案小型化、高頻化、高可靠性以及效率提升的目標(biāo)前進(jìn)。

據(jù)悉，目前安森美已經(jīng)在第三代半導(dǎo)體方面大力布局，包括從基板襯底到最終產(chǎn)品，到封裝相關(guān)的技術(shù)，增加產(chǎn)能，給客戶提供越來(lái)越多的新產(chǎn)品，以及和客戶簽訂長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議等等。

此外，TI在5G市場(chǎng)有完善的布局與規(guī)劃，合作客戶覆蓋全球通信市場(chǎng)，涵蓋了通信電源的各類應(yīng)用，在給客戶提供解決方案和技術(shù)支持的同時(shí)與客戶一起規(guī)劃有競(jìng)爭(zhēng)力的通信電源產(chǎn)品路標(biāo)。各產(chǎn)品線為基站電源提供了全套的解決方案。

據(jù)透露，中興通訊5G基站電源在全國(guó)范圍內(nèi)已占據(jù)1/3左右的市場(chǎng)份額。熊勇表示：“作為5G設(shè)備供應(yīng)商，中興通訊對(duì)主設(shè)備、場(chǎng)景應(yīng)用以及客戶有比較深刻的理解。我們會(huì)跟咱們的某些產(chǎn)品進(jìn)行很好的配合，盡量實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的端到端的整體解決方案，保證5G網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行情況下，也實(shí)現(xiàn)人員利用的最大化，然后促進(jìn)人員管理的建設(shè)和高效的運(yùn)維。”

麥格米特葉俸良也表示：“其實(shí)不管是從那個(gè)方面來(lái)考慮，這都是一個(gè)大的趨勢(shì)。因?yàn)橐院蟀ㄖ悄芗译?，自?dòng)駕駛等在內(nèi)的領(lǐng)域都會(huì)用到。5G基站電源擁有非常大的市場(chǎng)前景。我們公司也在大力發(fā)展。”

他認(rèn)為，目前深圳市已經(jīng)推出自動(dòng)駕駛公交和滴滴出租車的試點(diǎn)，市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入試運(yùn)營(yíng)階段。后續(xù)隨著5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成熟，未來(lái)5G基站應(yīng)用一定是大力發(fā)展的方向。

結(jié)語(yǔ)

隨著政策和市場(chǎng)應(yīng)用的改善，5G基站數(shù)量正呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，5G基站電源市場(chǎng)迎來(lái)廣闊空間。隨著5G基站小型化、輕型化發(fā)展，5G基站電源正面臨著更高功率密度、更緊湊的設(shè)計(jì)和更高能效等要求，同時(shí)運(yùn)維費(fèi)用也隨著增加。這也為5G基站電源應(yīng)用的進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。受制于價(jià)格方面的影響，第三代半導(dǎo)體材料的使用占比很小，但未來(lái)也會(huì)是應(yīng)用趨勢(shì)。我們也相信，隨著5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的逐步成熟，自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場(chǎng)景也將迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇。