5G基站新型开关电源设计方案

李毅明

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

5G的重要特点是覆盖面积虽然不大但是频率较高，站点分布往往能够展现出特大容量。5G基站建设大量使用基带处理单元，供电时原有的基站将会以交流电220 V的方式输入，而直流电则会以48 V输出。同时，要考虑到5G涉及的母站和子站关系。子站将采用HVDC 240～380 V输入方式，AC 220 V或者DC 48 V的输出方式[1]。这两种方式相对连贯，是目前常用的一种基站输入及输出方式。输入输出设备相互独立，设备占用空间较大。因此，重点探讨如何设计新型5G基站开关电源，根据开关电源的需求减少电能的转换，降低电能损耗和占地面积。

1 5G组网模式的发展和设备之间的供电现状

5G移动通信网络目前停留在概念阶段，传统的2G、3G、4G网络的覆盖往往以宏观基站为主要站点，辅助使用主微站。主站和微基站之间相辅相成，宏基站则采用更大的网络覆盖补充盲区，采用更高的流量来吸收话务量和数据流量。5G要考虑超大密集和超低时延的网络连接需求，因此商业区域和热点区域业务需求高的区域应该获准更加灵活地安排多个微基站。事实上，完全能够满足5G需求的微基站数量的现存量和预计量之间有很大差异，虽然微基站的供电保障要求不高，但是目前在数量上和供电保障网络体系的建设方面还存在着很大差距。面对5G时代的全面到来，基站在室外使用的频率越来越高，覆盖半径会随着频率的上升而逐渐缩小[2]。无论是何种模式的基站，它的数量都会成倍增加。人们必须考虑5G通信网络技术对网络重要组成形式的新需求，尤其是随着基于LTE移动通信网络演变形式和互联网之间无缝对接的技术需求，5G时代要求物联网采用不可间断的业务逐渐加强，对微基站和宏基站之间的密切连接，希望能够缩小差异，提升备电水平。

2 多种基站供电方案的优选

2.1 传统基站48 V开关电源

长期以来，传统基站使用市电引入和开关电源相连接的模式。在传统的网络连接需求并不是很大的情况下，传统开关电源完全能够满足传统基站的需求。电源开关在电源设备上可划分为交流配电、直流配电和监控及整流配电。电源开关往往以交流配电输入380 V或者220 V的交流市电，输出时配电连接到整流部分后接收信号，且在交流电后进行转化[3-4]。为了在输出时能够更少损耗电量，一般收到交流电后的额定转换电压为48 V传统基站的电压范围。因此，需在45～58 V直流电通过母排连接传送到直流电的配送部分后，蓄电池更好地连接直流电配电单元系统。这种方式已经能够满足传统通信设备不间断的持续供电，但是在5G时代，人们对网络连接需求越来越多，同时对网络连接时延的要求越来越短，使得不同类型、不同规模基站对电源开关和通信设备不间断供电的需求越来越高。不仅需不间断供电，而且供电总额也会大大增多，显然传统基站方式已经不能满足开关电源的新要求。

2.2 5G基站供电方式的设想

5G时代的概念性要求能够随着拉远主站和微基站之间的关系，增加微基站的整体数量来满足基站供电方式的集中供电和分散供电的需求。也就是说，5G通信网络技术往往需要集中交流，不间断供电。集中供电和高压直流供电之间的关系，需要考虑分散供电和市电输入后的备用电问题。5G时代拥有数量极多的基站，微基站的使用和注入可能会采用小型UPS供电系统和刀片式开关电源及蓄电池的组合[5]。目前，这种方式已经开始实验性的尝试使用，将借助高压直流电的远距离供电，同时会沿用输入和输出电源的优点。事实上，高压直流电能够远距离供电并不是人们最新发现的事实，在很早以前就有尝试使用高压直流电来远距离供电的案例。5G时代强化了大量微基站的建设，微基站建设与人口非常密集的区域交流电缆的引入，可能会因为电缆的过于密集造成触电事故。因此，高压直流电源供电电缆非常适用。这是因为高压直流电源供电电缆，其电压对地悬浮，触摸单击并不会造成触电现象，是一种安全性能更高的直流电源距离供应方式[6]。而高压直流电源远供母站市电断电时，蓄电池也会紧急启用进行子站的供电，从而保护子站在具有电力保障的同时，源源不断提高网络质量，且不影响用户的感知。

3 新时期新型5G开关电源方案

正是基于高压直流电源供电优势的基础，人们考虑如果使用光电复合电缆一次布线就可以同步解决供电和传输的问题，且在施工流程方面不仅建设成本更低，而且简化了施工流程。这为5G需要的新型开关电源方案提供了基础和可能。直流远供电从母站的开关电源上获取DC 48 V电压后开始转化和供电，当其转化为245～380 V电力后，将会通过电力电缆传送到最远端的转换模块，之后又会将其电能转化为220 V或者48 V的输出电能。这要求5G移动通信网络的远端转换模块能够根据子站设备的规格和型号选择快速的远端转化方式。实验操作者认为，5G基站开关电源系统应该保持市电正常时由多个稳定的48 V开关电源供电，母站直流远供端将电能转化为240 V或者380 V的高压直流电。在输送过程中，要考虑到远端子站的使用需求。电能的转化过程中必然会有耗损，5G基站远距离传输所能承受的耗损量约为15%[7]，这是因为能量转化在每一次转化时都会出现耗损，同时要考虑市电发生断电现象，因此需要有更多更便捷的备电开关需求。

5G新型开关电源将开关、电源、直流远供三者深度融合。这种融合采用控制切换模块、开关电源模块、HVDC开关电源模块以及可配置的基站供电模块。为了实现5G新型开关电源的功能，必须考虑增设HVDC控制切换模块和同步的HVDC开关电源模块。5G新型开关电源的原理和结构中，必须要保证HVDC控制切换模块有不同路径的输入和输出。一般会采用2路输入结合1～2路输出的方式，以保证电能在接入到开关电源后，其远端输入端和输出端可以在模块设置下自动切换[8]。紧急情况下，可以采用手动设置市电输入或输出。一般来说，输入时采用220 V电压输入，输出时采用48 V方式输出。设置在自动切换档位时，一定要保证切换质量。如果电能出现异常供电，那么立刻自动换挡到48 V蓄电池供电，保证子站的稳定输出。另外，新型5G基站建设要求的HVDC开关电源必须包含相应的监控和显示单元，才有助于监控人员和管理人员快速得到输入和输出配电的有关数据。基站新型的开关电源市场空间和更低损耗的供电需求，将会为未来远距离供电节约更多电能成本，因此市场前景广阔。

4 结 论

通过分析5G网络连接基站在新型开关电源，简述其原理和连接结构，尤其是在发生异常供电时的处理。新型的基站开关电源，不仅能够保证节能减排，而且可以每年节约8%的用电成本。因此，在新建基站的时候或者改造原有基站时，都应该考虑这种维护单位改造时的新型开关电源，再结合高压直流远供技术，完备其基础资料和功能。