5G新無線電(5G NR)不是現有4G基礎設施的簡單升級，而是從根本上有很大不同。透過採用多用戶MIMO、整合接入和回程，以及頻率高達71GHz的毫米波(mmWave)波束成形，5G NR能夠提供超高水準的連線性、高達數Gb的速率和僅約1毫秒的超低延遲。
不出所料的話，5G NR市場將出現非常快速的成長，因為使用者需要這一最新技術。研究公司ResearchAndMarkets預估，從2021年到2026年，5G基礎設施市場的年複合成長率(CAGR)將高達55%，市場規模將達1,154億美元。
這種成長的背後意味著需要大量小型基地台(small cell)，來提供5G NR所用的高頻率所必需的視距覆蓋，這就需要改變蜂巢基地台架構，並降低整體尺寸和重量。蜂巢單元將會隨處可見，包括街道燈桿和建築上面，幾乎可以是有一定高度和可用電源的任何地方。電源是5G面臨的關鍵挑戰之一，目前，據MTN諮詢公司稱，4G電源成本約佔行動營運商營運成本的5~6%。而5G NR所需要的電源至少是4G的兩倍，再考慮到當前能源成本的增加，營運支出成本將會大幅上升。
圖1：5G小型基地台示意圖。
5G電源挑戰
5G與之前的2G、3G和4G的區別在於內部基地台架構。在早期的系統中，功率放大器(PA)和電源單元(PSU)是完全分開的，有自己的熱管理系統，通常是散熱器。而在5G NR中，PSU很可能會與遠端無線單元(RRU)一起被整合到gNodeB中，形成一個主動天線元(AAU)，並將只有一個散熱器。
圖2：5G和上一代基地台內部架構之間的差異。
(來源：IEEE)
架構的變化本身就為電源設計帶來了更多挑戰，再加上空間小、溫度高、密封環境，以及要求重量更輕等問題，為5G AC/DC電源解決方案增加了更多複雜性。PA的效率通常低於PSU，這更進一步加劇了這種情況，因為這會提高共用散熱器的溫度，使PSU工作溫度從大約85℃提高到接近100℃。溫度的提高將影響可靠性，因為過熱是導致元件故障的主要因素。
根據經驗法則，元件溫度每升高10℃，PSU的MTBF就會減半，由此可以看出，整合會使PSU壽命縮短50~75%。這一點很重要，由於部署的數量太大，還有入網和更換難度及成本太高，因此行動營運商正在尋求壽命可達到7~10年的PSU。
訊號完整性是5G等任何無線系統的基本要求。然而，為建構AAU而整合PSU和RRU，增加了訊號干擾的可能性，這將降低系統性能。干擾問題是雙重的，首先，開關PSU會產生電磁干擾(EMI)，必須嚴格限制這些干擾，以確保它們不會干擾PA和/或RRU。PSU還必須有足夠的遮罩性能，以確保其工作免於5G無線訊號的干擾。
當多個訊號透過不同材料的各種接頭時(包括電纜連線鬆動、導體表面受污染、雙工器性能變差或天線老化)，被動互調也是一個問題。此時會透過混頻產生同一頻段內的和差訊號，從而引起干擾。在設計的各個方面都必須考慮到這一點，以確保它不會成為問題。
應對電源挑戰
業界已經採取了各種方法來降低5G NR蜂巢單元的功耗。一種方法是用耗電較少的8T8R或32T32R天線替換64T64R MIMO天線。雖然這確實降低了功耗，但
也導致性能上的折衷，而且在許多情況下，額外的PA實際上也會增加功耗需求。
圖3：5G應用中需要的PSU散熱。
許多人認為脈衝電源是一種有潛力的解決方案。由於5G基地台能夠分析流量負載，因此當流量較小時，它可以進入「睡眠模式」。這是相對於4G的一個顯著優勢，4G是「永遠開啟」(always on)，不斷發送基準訊號來檢測使用者。然而，即使在睡眠模式下，基本功能也必須保持運作，不僅要保證像119這類的緊急呼叫，還要確保對時間敏感的物聯網流量不會中斷。
在應對一些挑戰時，底層半導體技術扮演著重要的角色。事實上，半導體產業正在經歷一場根本性變革，以滿足汽車、可再生能源和5G等眾多應用的快速變化需求。這些應用要求在惡劣環境和高溫下具有更高的性能、效率和可靠性。
幾十年來，矽一直是半導體元件的支柱。然而，在最具挑戰性的應用中，這種材料正被新的寬能隙(WBG)材料所取代，包括碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)，其更高的電子遷移率為具有挑戰性的電源應用環境帶來了許多顯著的優勢。
圖4：WBG元件在高性能和高效率應用中的優勢。
與矽元件相比，WBG元件的靜態和開關損耗較低，從而提高了效率，並允許工作頻率更高，進而使得被動元件更小、更具成本效益。這也有助於減輕重量，這是5G毫米波天線的一個關鍵考慮因素，因為這些天線通常需要安裝在桿子上，以達到避開障礙物所需的高度。如果天線重量降低，則天線桿的設計和安裝會更簡單、更靈活且更便宜。
此外，WBG元件可以在高溫下工作，這增加了可靠性。最後，SiC和GaN產生的EMI也較少，這意味著需要更少的濾波和遮罩，這在5G系統中也非常有用。
5G代表了蜂巢技術的重大變革，更高的頻率導致基地台的位置更近，需要部署更多的蜂巢單元。雖然這些變革將提供一個穩定的、高性能的通訊解決方案，能夠提供比以往任何時候都更高的吞吐率和更低的延遲，但它們也帶來了巨大的挑戰，尤其是在電源方面。根據蜂巢單元和具體設計要求，5G RAN部署的AC/DC電源要求從幾百瓦到數千瓦不等。
低功率應用中使用的PSU通常嵌入在天線單元中，並依靠天線進行散熱，並密封外殼進行IP保護。對於更高功率的應用，例如為基頻單元供電、為無線單元供電，以及為現場備用電池單元充電，通常使用額定功率更高的戶外型PSU電源，每個PSU都安裝在防護等級為IP65的外殼內。這些PSU可以並聯使用，以提供更高的輸出功率，協助使用者配置緊湊型大容量電源系統，為許多5G應用提供非常高的輸出能力。
對網路營運成本的控制而言，最大限度地提高效率至關重要，因為網路消耗的能源至少是其前身的兩倍，同時確保網路在溫度更高、冷卻條件更差的情況下也能可靠運作。基本結構改變可能有助於解決電源挑戰，但改變結構會增加干擾的可能性，從而降低網路性能。
解決方式是在透過脈衝功率實現智慧操作，並實施包括WBG在內的新半導體技術，從而開發出更堅固、高效和緊湊的電源技術。
(參考原文：Power Designers Face Challenges with the Rise of 5G，by Dib Nath)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年10月號
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