5G時代通信電源系統的挑戰和解決思路

王從閣

摘 要：眾所周知電源技術作為現今通信技術應用的基礎且在大數據時代通信設備的廣泛運用促使了其相對應的性能供給需求在一定范圍內源源不斷的上升，其在極大程度上促使了市場以及民生對于通信電源技術智能化以及高效化的迫切需求?；诂F今計算機網絡技術各能力結合衍生而出的大數據庫在信息匯總梳理應用層面所帶來的遠超其余技術于便利性以及時效性上的卓越領先，其在極大層面上給通信行業的運轉帶來了優良的體系建立優勢。本文對5G時代通信電源系統的挑戰和解決思路進行分析，以供參考.

關鍵詞：5G時代;通信電源;挑戰;解決思路

引言

信息化技術的發展帶領人們進入了5G領域的大門，這也為生產生活的各個領域帶來了更廣闊的發展空間，各行各業也面臨著新的機遇與挑戰。例如在通信電源系統運行時往往會遇到電力引入困難或者機房空間有限等問題，因此在實際研究的過程中，應不斷加強對5G架構的了解，進而保證在第一時間解決通信電源系統運行中的問題，使其可以在5G時代中得到全面的提升，為我國5G發展進入新的領域提供條件。

1概述

移動通信技術的更新頻率和發展速度非?？?，5G作為最新一代移動通信技術，在通信領域得到了大力研究與發展，已經在全球多個國家或地區開始商用。伴隨當代通信技術的快速發展，5G移動通信技術也開始在日常生活與工作中得到大量應用?，F如今，為了更好地應用5G，我國正在大規模建設5G通信設施。此外，在5G通信技術方面，我國也取得了重大的研究成果，這些成果將在不久的將來得到廣泛的普及和應用，大大改善人們的生活方式和生活條件。目前，5G通信設施的建設在我國一些大中型城市進展很快，5G信號在城市的一些中心功能區得到了很好的覆蓋，依托于5G通信的新產業將得到迅速發展。在建筑的功能性設計方面，除了現有的2/3/4G通信信號的覆蓋范圍外，5G信號的覆蓋范圍將提高智能建筑的功能，讓人們體驗到更加便捷、實用、舒適的工作與生活。5G作為通信信號覆蓋的剛需，應在技術設計中進行合理分配。本文對5G移動通信基礎設施設計的主要要點進行了簡單闡述，從而對項目建設的需要進行滿足。

2 5G通信技術

目前，移動通信的技術通常使用4G，5G作為一種技術的更新和升級，有最快速度的特點，寬帶對比之前更大、更高，并開始發揮巨大作用，在持續、迅速提升的移動通信中，還可以與其他通信技術進行無縫連接[2]。它的自適應、自檢測和智能化的特性可以滿足各領域更高的要求。

3數字控制策略設計

3.1占空比

開關管導通信號通過兩路ZCD（ZeroCrossDetection）信號獲得，關斷信號通過電壓環PI輸出值獲得。STM32G431通過定時器產生兩路驅動信號vGS1和vGS2。在變換器實際工作中，由于續流二極管D1，D2反向恢復電流的存在，需要對二極管恢復導通時間進行補償，增加輸入電流平均值，提高輸入功率因數。1）兩路輸入電感電流為CRM模式;2）兩路Boost電路驅動信號間180°移相控制;3）輸出電壓穩定。同時為了便于器件和濾波器設計，需要保證工作開關頻率在一定范圍之內。

3.2頻率

為了保證變換器工作在期望的頻率范圍之內，需要避免出現過高的開關頻率。本文通過對原始采樣的過零信號進行3級濾波達到限頻的目的，其原理如圖6所示（圖中通過“叉號”標示每級濾波去除的波形成分）。第一級濾波。利用STM32G431提供的內部比較器COMP1和COMP2將過零點信號采樣與設置門限值Vth比較，濾掉反復穿越0點的高頻信號。第二級濾波。兩路驅動信號vGS1，vGS2與芯片輸出的限頻信號S1_Lim，S2_Lim相“或”。由此在限頻信號周期內，不會再產生清零信號，使得驅動信號vGS1和vGS2頻率不超過限頻信號頻率。第三級濾波。利用STM32G431定時器外部事件的濾毛刺功能進行第三次濾波，濾掉持續時間低于一定值的毛刺信號。

4城市電網典型場景及故障特征

4.1單電源網絡場景

輻射狀配電網或開環運行的手拉手環網都屬于單側電源供電網絡。網絡內某一區段發生故障后，故障點上游電流由系統電源提供且單向流動，故障點下游電流為零。系統電源一般為同步發電機，故障電流由內部電動勢、內阻抗及外電路等值阻抗所決定。在配電網中，系統電源較強，內阻較小，因此輸出的故障電流較大，一般為負荷電流的幾倍至十幾倍。

4.2閉環運行場景

為了提高供電可靠性，某些大城市的核心區域已開始采用閉環運行方式。該場景一般由系統電源供電，某一區段發生故障后，該區段兩側電源均會向故障點提供電流，方向為母線指向故障點，與輸電線路相似。由于配電線路較短，各點電壓相位基本相同，故障后線路兩側的電流滯后電壓的角度約為線路的阻抗角，因此，故障區段兩側短路電流相位相差不大，幅值則由故障點位置、系統等值阻抗等因素決定。值得注意的是，以上幾種場景可能獨立存在，如風電送出線路、未接入分布式電源的環網等;也可能互相組合，如分布式電源接入到輻射狀、手拉手環網以及閉環結構中，此時需依據實際場景并結合分布式電源類型具體分析。為解決城市新形態配電網面臨的保護問題，本文以5G通信作為數據交換通道，圍繞分布式縱聯保護在城市電網中的應用策略開展研究。分析了單電源網絡、含分布式電源網絡以及閉環運行網絡3種場景下的故障特性，提出了與3種場景相對應的閉鎖式縱聯保護、幅值比較式縱聯保護以及電流差動縱聯保護策略，給出了各方案對通信性能以及數據同步方面的具體要求。所提保護策略將為5G在城市電網保護與控制中的應用提供參考?，F階段仍處于5G網絡架構的建設時期，5G通信技術還未完全成熟?；诖?，對通信受到干擾、失去通信等異常情況暫未考慮。但可以預見，隨著5G網絡的進一步建設與完善，5G將成為城市配電網中實現分布式保護控制的重要通信方式。

5 5G站點電源改造分析

5.1空調改造原則和建議

空調是5G站點的電源系統中不可或缺的組成部分，主要是對機房進行降溫，保證設備的穩定運行。評估機房空調的改造方案時，需要計算出機房空調的總制冷量的需求，空調熱負荷對應的制冷量計算如公式（3）。制冷量=設備功耗+機房面積*單位面積制冷功率。（3）單位面積的制冷功率需要根據不同區域的環境而定，不是一個確切統一的數值。5G站點的空調改造建議如下。（1）根據計算出來的制冷量總需求來選擇最合適的空調類型和空調數量。（2）在現有基建的條件下，充分考慮空間的限制和安裝條件的限制，再決定是新增空調還是替換空調。

5.2開關電源改造原則和建議

5G基站電源系統中開關電源具有三大功能：整流、配電和電池管理。整流是將交流電變換為直流電;配電是合理分配電源系統的交流和直流電能;電池管理是對蓄電池組進行充電和放電的控制。開關電源模塊的數量配置原則為N+1，即N個開關電源的總容量需要大于電源系統的電流要求?，F有基站中開關電源容量一般為300A或者600A，5G電源系統的直流負荷電流大概在150A左右，若計算總負荷電流大于開關電源容量，可以從以下方面進行改造：（1）若可以通過擴容滿足要求，需要使用與原開關電源模塊一致的型號來進行整流模塊的擴容。（2）若無法新增同型號開關電源，可以考慮替換新的大容量開關電源來實現擴容。（3）若開關電源總容量滿足要求而剩余的端子數量不足時，需要通過新增直流配電箱來解決。

5.3外市電改造

（1）若變壓器的容量滿足要求，而引線線徑偏小，則需要更換更粗或者阻抗更小的電纜。（2）若接火點是單相的，則必須將其改造為三相供電。（3）采用配電箱引線的區域，需要改造為變壓器引線供電。（4）若電纜滿足要求而變壓器容量超出負荷時，需要重新建立一路外市電，并配置交流配電箱和開關電源系統。（5）若電纜和接火點都不滿足要求，則需要新建一路外市電和配套電源，同時使用兩套系統來對基站進行供電。5G站點的電源改造中，外市電的改造是工作量最大的，所以在5G大規模建設的時候，城區里面的5G基站都是移動、電信、聯通三家共享的。

6氮化鎵半導體的發展及應用

6.1通信領域

5G大功率基站GaN功率放大器主要應用于5G大功率基站中，解決了5G移動網絡中面積小但數據流量請求相對集中的問題。MIMO基站氮化鎵功放單元實現了從傳統4G基站4～8通道至5G大規模MIMO基站64通道的跨越，通道數量提升8倍以上，而整機體積僅增大2倍左右。其主要應用于5G通信32通道及64通道MIMO基站功放中，構成5G網絡終端與基站最主要的數據傳輸場景。5G毫米波基站GaN單片功率放大器，具有超大帶寬和超低時延等特點。超大帶寬帶來巨大的數據傳輸能力，用于海量5G通信數據的回傳;超低時延將用于自動駕駛等對通信延遲要求特別高的全新物聯網領域。而毫米波技術可以通過提升頻譜帶寬來實現超高速無線數據傳播，與5G要求完美契合，從而成為5G通信關鍵技術之一。

6.2電子領域

氮化鎵晶體管適用于高頻、高壓和高溫等場合，基于氮化鎵晶體管代替硅基MOSFET產生了帶有同步整流功能的硬開關半橋DC/DC電源模塊。使用氮化鎵晶體管可以使DC/DC電源模塊工作在較高頻率而不會帶來效率的大幅下降，同時使用小型LC濾波器即可實現低輸出紋波，具有體積小、效率高、紋波小和動態響應速度快等優點。今年小米發布了65W氮化鎵的充電器，體積是標配的一半大小。業內認為這標志消費級氮化鎵手機電源市場起量。同時低功率快速充電USB電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等也應用了氮化鎵材料。隨著合適的驅動器、控制器和電源轉換模塊方案用于服務器、云和電信等更高功率的應用場景，傳統材料的技術性能已經發展到了瓶頸階段，因此，對于新型材料的應用變得越來越緊迫，氮化鎵半導體材料的應用為實現這一目標提供了可能性。

7通信電源技術突破市場需求

7.1更高的輸出功率

由于5G通信需要采用MassiveMIMO等技術，5G基站的AAU單扇區輸出功率由4G的40W～80W上升到200W甚至更高，同時由于處理的數據量大幅度增加造就了對應的設備處理數據基數的噴涌膨脹，其功率已經超過1000W，然而為了確保原有的信息處理功率其對于機械運轉效率的要求不斷拉升，進而導致其對于設備的運轉的輸出功率有著更為嚴苛的要求。同原有4G通信基站供電的通信電源輸出功率2000W～3000W相比，現今復合型的電源供給基站不僅是設備構成可謂是錯綜復雜，其輸出功率的類型以及份額可謂是參差不齊。在追求輸出功率提升的同時仍舊需要依據不同類型的通信設備需求從而配給通信電源供給，其在極大程度上加劇了輸出功率拉升的技術困難程度。

7.2設備散熱保障

通信設備的使用離不開電力的供應，而在這一過程中的安全隱患，是大多數企業往往會疏忽的地帶。但一旦安全隱患被觸及，導致隱患升級轉變為嚴重事故，其不僅會對企業造成意外且龐大的經濟損失，還會對企業的安全保障聲譽造就惡劣影響，進而影響消費者對公司的產品主觀上失去好感。無論是何種后果，對于企業的影響都是不容忽視且不容小覷的，因而圍繞通信設備電源供給體系構筑當中的散熱環節需要企業以及政府做出針對性管控。但現今市場多數應用的散熱技術在多數情況下無一不面對著耗能大與成本高以及散熱效率不盡如人意的技術困擾，其進而造就了市場對于散熱技術的性能優化以及安全保障等多方面的技術革新需求。

8提高5G通信電源穩定性的重要舉措

8.1 DC機房電源

在直流穩壓電源（DC電源）的信號、電壓轉變期間，可利用5G技術監控變壓器、整體電路、濾波電路、穩壓電源等組件，以便在協調各組操控數據的過程中監控出機房運行元件的功能和狀態，具體可從以下幾方面進行優化：第一，需要在核心區域加裝邊緣機房，并固定邊緣機房的位置在開關電源附近。在此期間，技術人員需應用“雙電源系統”機組進行持續供電。例如在電源設計期間，智能化技術可整合開關電源（A、B）的電源信息，依據主體控制設備、備用控制設備進行電源分配;在UPS系統應用期間，系統可自行將并機供電模型分為A端和B端，再將得到的控制數據上傳至ICT設備中，以便更科學的對不同機組、機房元件進行持續性供電。若部分網端設備的供電異常時，5G技術可自動關閉并標識故障區域，啟動備用供電、用電裝置，控制后期維修期間網元系統掉線的幾率。第二，5G系統改變了信息交互、網元數據的集成模型，有利于提升整體組網的供電安全性。由此可見，為了凸顯出直流供電的控制要求，需要技術人員分析不同直流供電系統、交流供電系統的運行特點，可方便在供電、用電期間得到穩定的電源供應方式。第三，電網系統的不斷完善，改變了供電規劃及區域性的供電要求，尤其是公共電網的逐步穩定，也提升了電網信息的交互、傳遞效率。因此，為了營造出安全的通信電源供應模式，可建立主體、備用雙向的通信電源供應系統，充分協調HVDC的信息框架，再從混合組網的用電規劃監控出通信電源的投入狀況，可滿足不同區域的市電供應需求?？傊?，為了提升配電系統的運行穩定性，技術人員需要協調變配電系統的運行狀況，探討機組的保養要點和變配電器的使用要點，方便后期增容擴建技術的進行.

8.2電力擴容系統的優化措施

為了提高電力擴容系統應用的合理性，技術人員應當注意不同區域的用電狀況和用電量，總結地區用電峰值的實際特征，再給予必要的供電控制，能為市電波谷的儲能控制、峰值監控提供有效的數據。在此過程中，若用電峰值存在缺口問題時，應采用分段控制的模式分析出用電峰谷數據，有利于提升擴容系統的可靠性和穩定性。

結束語

綜上所述，5G時代的到來給通信建設的發展提出了更高的要求，因此為不斷滿足時代建設的通信需求，應不斷加強對通信電源系統的建設與優化，進而不斷推動相關系統運行的高速化、多樣化以及集中化發展。在實際建設的過程中，要加強對通信電源系統面臨挑戰的了解，有效解決其在DC機房電源、無線側電源、電力擴容以及拉遠距離等方面的技術問題，進而不斷提升電源基礎資源系統的穩定性與安全性。

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