5G电信网络升压供电原理和应用

2019-04-17廖革文

通信电源技术 2019年3期

廖革文

（维谛技术有限公司，广东深圳 518043）

0 引言

随着5G网络标准的发布和实施，2019年将开始建设5G通信网络。5G通信网络建设过程中，通信设备的供电至关重要。不仅要求为5G网络设备提供高质量的电源，而且要求能够在现有网络或者新建网络的过程中实现平滑过渡。因此，需充分利用现有的网络设备，节省投资，快速部署。

1 升压供电的背景

在5G网络中，随着射频技术和网络技术的发展，基站的天馈部署方式已经由传统的无源天馈进化为有源MIMO天馈，即BTS和天线之间的铜馈线已经被更加低价高速的光纤取代，BTS和天线合二为一，即为AAU（如图1所示）[1]。光纤大大降低了原来铜馈线的成本和施工难度，但也为AAU的供电带来了一些麻烦。

首先，AAU的功率一般为1 800 W。按照传统的-48 V/-53.5 V供电电压，单个AAU的工作电流在34 A左右。采用不同截面积线缆时，它的线路损耗、线路压降和损耗率如表1所示。

由表1可以看出，在使用目前53.5 V供电电压的情况下，6 mm2的铜线传输的线路损耗率和线路压降非常严重，达到不可接受的程度[2]。因此，采用传统的通信电源供电电压对AAU供电已经不可行。

其次，使用蓄电池时，考虑蓄电池从浮充电压到蓄电池保护电压（43.2 V铅酸蓄电池）或者次要负载下电电压（45.0 V铅酸蓄电池），它的线路损耗、线路压降和损耗率如表2所示。

从表2可以看到，在次要负载下电电压点和电池保护电压点，线路损耗和压降已经非常严重。一方面压降增大，加速供电设备的供电电压下降；另一方面，损耗随着电压的降低也快速增加。两个因素叠加，蓄电池的有效后备时间将急剧缩短。

表1 不同输出电压下线路损耗和压降对比

表2 次要负载下电和电池保护电压下的线路损耗和压降对比

最后，在部署成本要求苛刻的情况下，铜线的成本是施工的关键因素之一。低电压、粗线缆一方面成本高，一方面施工难度增加，工艺要求也高[3]。因此，需采用高电压供电，有利于节省线缆费用，降低工程部署成本。

综合上述三个因素，5G网络中，由于AAU将取代传统的天馈分离方式，采用传统通信电源的直接蓄电池浮充供电方式已经不可行。为了保证5G网络AAU的可靠供电，提升其供电电压势在必行。

2 升压供电的解决方案

图1是传统通信电源的基本原理，负载通过熔断器或者断路器直接连接到设备的直流母线。

图1 通信电源基本原理

升压供电的解决方案十分简单，一般在直流母线上连接冗余备份的升压模块，将浮充运行在53.5 V左右的直流电压提升到一个额定的相对高的电压输出。一般来说，这个升压越高越好，但是考虑人身安全和设备安全，不能一味提升到很高的值。目前，这个值一般限定在60 V以内[2]。也有一些主设备厂家在尝试设定到72 V[2]，以获得更低的线路压降，提升电源传输的效率。

升压电路可以采用非隔离的Boost升压方式，也可以采用带隔离的完全高频开关DC/DC方式。Boost升压电路的基本原理如图2所示。

图2 Boost升压电路原理

带隔离的DC/DC电源和整流模块类似，只是其输入电源电压范围不同，具体工作原理不再赘述。两种不同的升压方式的对比（基于相同功率输出），如表3所示。

表3 Boost升压与隔离DC/DC变换的比较（基于相同功率输出）

不论采用哪种技术方式的升压供电单元，都会设计成为整流器AC/DC外观模式类似的功能单元，并集成到传统的通信电源系统中，或者作为单独的组件安装到无线设备机架中，或者作为单独的设备挂墙，或者嵌入到其他机架中[4]，原理如图3所示。

图3 集成升压变换器的通信电源原理

3 升压供电的优缺点简析

在未来的5G网络部署中，传统的AAU供电方式将发生上述深刻的变化。用户和使用维护人员需正确看待和平衡它的优缺点，以获取最佳的效能。

3.1 优点

（1）升压后供电电源输出稳定，有效提升了AAU供电质量。DC/DC升压变换器将进一步稳定AAU的供电电压，保证AAU的供电电源质量；每个AAU由于输电线路较长，之间的相互影响进一步降弱，特别在一路AAU短路情况下，其他AAU受到其短路的影响小，甚至不必专门再为AAU设置断路器或者熔断器等保护器件。

（2）降低线路损耗，提高线路的传输效率。

（3）在蓄电池备电期间，更能获得恒定的供电电压。如果直接取自蓄电池的电源，在蓄电池备电期间，输出电压随着放电时间不断降低。由于线路压降的存在，设备端的电压将进一步降低，来自于线路压降和恒功率负载电压降低进一步增加了压降，将使得蓄电池还没到保护电压时负载端的电压提前到达最低输入值而出现负载宕机，减少了负载的电池备电时间。升压供电将很好地解决上述问题，有效保证蓄电池的备电时间。