5G電信網(wǎng)絡升壓供電原理和應用

廖革文

（維諦技術有限公司，廣東 深圳 518043）

0 引 言

隨著5G網(wǎng)絡標準的發(fā)布和實施，2019年將開始建設5G通信網(wǎng)絡。5G通信網(wǎng)絡建設過程中，通信設備的供電至關重要。不僅要求為5G網(wǎng)絡設備提供高質(zhì)量的電源，而且要求能夠在現(xiàn)有網(wǎng)絡或者新建網(wǎng)絡的過程中實現(xiàn)平滑過渡。因此，需充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備，節(jié)省投資，快速部署。

1 升壓供電的背景

在5G網(wǎng)絡中，隨著射頻技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，基站的天饋部署方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的無源天饋進化為有源MIMO天饋，即BTS和天線之間的銅饋線已經(jīng)被更加低價高速的光纖取代，BTS和天線合二為一，即為AAU（如圖1所示）[1]。光纖大大降低了原來銅饋線的成本和施工難度，但也為AAU的供電帶來了一些麻煩。

首先，AAU的功率一般為1 800 W。按照傳統(tǒng)的-48 V/-53.5 V供電電壓，單個AAU的工作電流在34 A左右。采用不同截面積線纜時，它的線路損耗、線路壓降和損耗率如表1所示。

由表1可以看出，在使用目前53.5 V供電電壓的情況下，6 mm2的銅線傳輸?shù)木€路損耗率和線路壓降非常嚴重，達到不可接受的程度[2]。因此，采用傳統(tǒng)的通信電源供電電壓對AAU供電已經(jīng)不可行。

其次，使用蓄電池時，考慮蓄電池從浮充電壓到蓄電池保護電壓（43.2 V鉛酸蓄電池）或者次要負載下電電壓（45.0 V鉛酸蓄電池），它的線路損耗、線路壓降和損耗率如表2所示。

從表2可以看到，在次要負載下電電壓點和電池保護電壓點，線路損耗和壓降已經(jīng)非常嚴重。一方面壓降增大，加速供電設備的供電電壓下降；另一方面，損耗隨著電壓的降低也快速增加。兩個因素疊加，蓄電池的有效后備時間將急劇縮短。

表1 不同輸出電壓下線路損耗和壓降對比

表2 次要負載下電和電池保護電壓下的線路損耗和壓降對比

最后，在部署成本要求苛刻的情況下，銅線的成本是施工的關鍵因素之一。低電壓、粗線纜一方面成本高，一方面施工難度增加，工藝要求也高[3]。因此，需采用高電壓供電，有利于節(jié)省線纜費用，降低工程部署成本。

綜合上述三個因素，5G網(wǎng)絡中，由于AAU將取代傳統(tǒng)的天饋分離方式，采用傳統(tǒng)通信電源的直接蓄電池浮充供電方式已經(jīng)不可行。為了保證5G網(wǎng)絡AAU的可靠供電，提升其供電電壓勢在必行。

2 升壓供電的解決方案

圖1是傳統(tǒng)通信電源的基本原理，負載通過熔斷器或者斷路器直接連接到設備的直流母線。

圖1 通信電源基本原理

升壓供電的解決方案十分簡單，一般在直流母線上連接冗余備份的升壓模塊，將浮充運行在53.5 V左右的直流電壓提升到一個額定的相對高的電壓輸出。一般來說，這個升壓越高越好，但是考慮人身安全和設備安全，不能一味提升到很高的值。目前，這個值一般限定在60 V以內(nèi)[2]。也有一些主設備廠家在嘗試設定到72 V[2]，以獲得更低的線路壓降，提升電源傳輸?shù)男省?/p>

升壓電路可以采用非隔離的Boost升壓方式，也可以采用帶隔離的完全高頻開關DC/DC方式。Boost升壓電路的基本原理如圖2所示。

圖2 Boost升壓電路原理

帶隔離的DC/DC電源和整流模塊類似，只是其輸入電源電壓范圍不同，具體工作原理不再贅述。兩種不同的升壓方式的對比（基于相同功率輸出），如表3所示。

表3 Boost升壓與隔離DC/DC變換的比較（基于相同功率輸出）

不論采用哪種技術方式的升壓供電單元，都會設計成為整流器AC/DC外觀模式類似的功能單元，并集成到傳統(tǒng)的通信電源系統(tǒng)中，或者作為單獨的組件安裝到無線設備機架中，或者作為單獨的設備掛墻，或者嵌入到其他機架中[4]，原理如圖3所示。

圖3 集成升壓變換器的通信電源原理

3 升壓供電的優(yōu)缺點簡析

在未來的5G網(wǎng)絡部署中，傳統(tǒng)的AAU供電方式將發(fā)生上述深刻的變化。用戶和使用維護人員需正確看待和平衡它的優(yōu)缺點，以獲取最佳的效能。

3.1 優(yōu) 點

（1）升壓后供電電源輸出穩(wěn)定，有效提升了AAU供電質(zhì)量。DC/DC升壓變換器將進一步穩(wěn)定AAU的供電電壓，保證AAU的供電電源質(zhì)量；每個AAU由于輸電線路較長，之間的相互影響進一步降弱，特別在一路AAU短路情況下，其他AAU受到其短路的影響小，甚至不必專門再為AAU設置斷路器或者熔斷器等保護器件。

（2）降低線路損耗，提高線路的傳輸效率。

（3）在蓄電池備電期間，更能獲得恒定的供電電壓。如果直接取自蓄電池的電源，在蓄電池備電期間，輸出電壓隨著放電時間不斷降低。由于線路壓降的存在，設備端的電壓將進一步降低，來自于線路壓降和恒功率負載電壓降低進一步增加了壓降，將使得蓄電池還沒到保護電壓時負載端的電壓提前到達最低輸入值而出現(xiàn)負載宕機，減少了負載的電池備電時間。升壓供電將很好地解決上述問題，有效保證蓄電池的備電時間。

3.2 缺 點

（1）升壓變換器增加一道故障點，通過多模塊冗余備份解決。升壓器相當于在電源和負載之間增加一個電源變換節(jié)點，而這個節(jié)點是線路中的串聯(lián)節(jié)點，因而升壓器的損壞將直接導致負載的掉電。一般情況下，可以通過并聯(lián)一個相同容量的升壓器進行冗余備份，避免掉電的情況。

（2）升壓變換器有轉(zhuǎn)換效率的問題，抵消線損，采用高效變換器解決。升壓變換器存在一定的轉(zhuǎn)換效率。對于Boost變換器，效率可以做到98%以上；對于隔離型的變換器，效率做到98%，成本將會很高。因此，轉(zhuǎn)換器的效率將抵消一部分線損。為了進一步降低損耗，應該考慮使用高效轉(zhuǎn)換器。

（3）基站供電系統(tǒng)復雜，增加了維護難度。在新建基站中直接采用新型直流電源，提升了輸出電壓。升壓器的加入，致使電源系統(tǒng)變得復雜，多種電壓的輸出，使得使用維護的難度提升，應該通過技術培訓、規(guī)程制定等方式保障使用維護的安全。

4 升壓供電的應用

隨著5G標準的頒布，各大通信設備廠商已經(jīng)開始了電源升壓供電的方案和設計，圖5是某國際主設備廠家設計生產(chǎn)的升壓器在某運營商網(wǎng)絡中的試點應用。

5 結(jié) 論

隨著未來5G網(wǎng)絡的部署，通信技術不僅在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生了巨大變化，而且供電電源等細微配套的環(huán)節(jié)隨之變化?？梢灶A見，在未來的5G網(wǎng)絡供電中，升壓供電方式將變得普通而高效。

圖5 安裝在BBU中的升壓單元