新一代通信基站的低功耗电源设计与性能分析

新一代通信基站的低功耗电源设计与性能分析

李磊

中国铁塔股份有限公司苏州市分公司  江苏苏州  215001

摘要：随着5G及未来通信技术的快速发展，新一代通信基站对电源系统提出了更高的要求，不仅要保证稳定可靠的供电，还要实现低功耗、高效率。本文首先介绍了新一代通信基站电源系统的设计要求，然后详细阐述了低功耗电源的关键技术。接着通过验证了低功耗电源的性能优势，对其在实际应用中的效果进行了评估。最后对低功耗电源在通信基站中的应用前景进行了展望。

关键词：新一代通信基站；低功耗电源；设计；性能分析

引言：随着通信技术的飞速发展，5G及未来通信技术不断演进，通信基站作为信息传输的枢纽，数量不断增加，功能也日益强大。然而，通信基站的能耗问题也随之而来，尤其是电源系统的能耗占据了很大比例。传统的通信基站电源系统往往存在着能耗高、效率低等问题，不仅增加了运营商的运营成本，也对环境造成了不良影响。

一、新一代通信基站电源系统的设计要求

新一代通信基站电源系统，包括核心电源、直流配电箱、UPS及蓄电池等，主要功能是对核心通信设备、各种业务设备提供稳定可靠的供电。由于通信基站的负载功率越来越大，对电源系统提出了更高的要求，一是效率更高。传统电源系统的效率主要取决于主电源、辅助电源和 UPS，由于新一代通信基站所用设备功率越来越大，效率将成为衡量其性能优劣的重要指标。二是可靠性更强。传统电源系统的可靠性主要取决于主电源和辅助电源，而新一代通信基站由于负载功率越来越大，要求主电源和辅助电源均能实现高效率、高可靠性工作。三是供电质量更高。传统的通信基站采用交流供电方式，而新一代通信基站采用直流供电方式，要求直流配电系统具有更好的稳定性。四是可再生能源利用。目前我国主要以化石能源为主，新一代通信基站将会大量使用太阳能、风能等可再生能源。五是智能化管理。传统的通信基站由于采用人工维护方式，。其维护成本较高，而新一代通信基站将实现智能化管理。

二、低功耗电源的关键技术

2.1高效的电源拓扑结构

高效的电源拓扑结构是低功耗电源设计的核心，通过优化电路布局、减少能量转换损耗和提升电能转换效率，确保电源在稳定供电的同时，实现能源的高效利用。一是高效电源拓扑结构通过优化电路布局和减少能量转换损耗，实现了电能的高效转换，提高了电源系统的整体效率；二是由于高效率的电能转换，可以减少能源浪费和散热问题，有利于环保和节能；三是高效电源拓扑结构通常具有良好的稳定性和可靠性，能够保证电源系统在各种负载条件下稳定工作。

图一：拓扑分类总览图

2.2先进的控制策略

通信基站的供电可靠性和供电效率要求非常高，对电源系统的控制策略提出了更高的要求。从功率密度和效率角度，双路 PWM控制的 Buck变换器比单路 PWM控制的 Boost变换器更具优势。Buck变换器可以实现恒流输出，而 Boost变换器无法实现恒流输出。双路 PWM控制的 Buck变换器是新一代通信基站电源系统的理想选择，具有低输出纹波电压、软开关的特点。为了抑制开关损耗，在输入端采用零电压开关（ZVS）。这种开关可以通过改变控制信号来调节开关管的开通和关断时间，从而在保证功率效率的同时减小输出电压纹波。

图二：通信基站电力智能控制系统及控制方法与流程

2.3可再生能源的利用

可再生能源的利用是低功耗电源设计中的一项关键技术，对于实现通信基站的绿色、可持续供电至关重要。通过高效利用太阳能、风能等可再生能源，将其转换为电能供给电源系统，降低对传统能源的依赖，减少环境污染和碳排放。在实际应用中，借助先进的太阳能电池板和风力发电机等技术手段，可以将可再生能源充分集成到电源系统中，实现稳定、可靠的电力供应。结合储能系统的应用，可以将多余的电能储存起来，以备不时之需，从而进一步提高电源系统的灵活性和可靠性。

2.4智能电源管理技术

智能电源管理技术是在低功耗电源的基础上，根据负载的需求以及系统的状态变化，自动调节电源输出功率，以满足系统工作的需要。其主要由以下几个部分组成：①智能功率控制技术，在节能模式下，通过对输入电压的精确检测，根据系统负载的需求，在保证不影响其他模块正常工作的前提下，对输出电压进行调整；②智能充放电技术，通过对电池的监测和智能充放电管理，有效地延长电池寿命；③智能放电管理技术，通过对电池寿命及工作状态的监测和管理，在保证不影响其他模块工作的前提下，进行电池充放电管理，实现高效节能；④智能功率密度技术，通过对电源效率、电压、电流及系统输出功率等参数进行综合优化管理，实现高密度电源的高效节能；⑤智能安全保护技术。采用智能化技术对整个电源系统进行全方位检测和保护，使系统在无人值守状态下正常运行。

三、低功耗电源的性能分析

新一代通信基站采用高效的电源拓扑结构、先进的控制策略以及可再生能源的利用等技术手段，可以显著降低电源系统的能耗和提高其效率。

3.1能耗更低

在实际应用中，通信基站电源系统需要根据不同场景和环境条件，选择不同的电源拓扑结构、控制策略、可再生能源的利用以及智能电源管理技术等，以获得最佳的供电效率。

以5G基站为例，目前大部分5G基站采用的是基于DC650V （10A）标准的 DC/DC电源拓扑，其转换效率约为90%。在该系统中，若采用低功耗电源，可节省80%的供电能耗。

低功耗电源具有较好的电磁兼容性能，能很好地适应5G网络对电磁环境的要求。当5G基站需要使用高压直流供电时，应尽量采用 DC/DC变换器并联的拓扑结构；当5G基站需要使用低压直流供电时，应尽可能采用双路隔离式 DC/DC变换器。

目前常用的三种节能策略分别为：a：降低开关频率；b：提高功率密度；c：增大负载电流。前两种节能策略较为有效，但都需要增加变压器和整流器等器件，增加了通信基站系统的体积和重量。第三种策略可以有效降低开关频率和功率密度，但是增加功率密度也会增加传输线长度，降低通信基站系统的能效。

3.2效率更高

在负载不变的情况下，相比于传统电源，采用低功耗拓扑结构的电源效率可提高10%~20%左右，体积可减少约25%，重量可减少约30%左右。不仅如此，在负载增大的情况下，效率进一步提高。通过智能电源管理技术和能量管理技术的应用，可有效降低电源的待机功耗和待机时间。

在实际应用中，由于5G基站需要实现较高的频率响应特性和大带宽特性，5G基站内部通常包含大量高耗电器件，如功放、滤波器、开关等。由于5G基站采用了大量新技术（如载波聚合、RAN等）来实现更高的频率和带宽，耗电量较传统基站更大。为了提高5G基站的电源效率，可以采用智能电源管理技术和能量管理技术来实现系统级节能。例如通过智能电源管理技术来降低待机功耗；通过能量管理技术来减少不必要的开关损耗。利用先进控制策略和能量管理技术还可以实现电源系统的自适应控制和动态补偿。

3.3可靠性更强

电源可靠性是指在规定的条件下，电源能持续稳定地向负载供电的能力。目前，5G基站的供电方式主要有交流供电、直流供电和混合供电三种方式。直流供电系统中，DC/DC直流电源具有更高的可靠性；在混合供电模式下，DC/AC交流电源具有更高的可靠性。在混合供电模式下，DC-DC变换器的开关频率会随负载变化而变化，DC-AC变换器通常是恒压输出的。为防止变换器过热和过流保护，需要定期检测开关频率和负载电流，从而避免了变换器损坏。

结束语

本文详细阐述了新一代通信基站低功耗电源的设计方法与性能分析。通过采用高效的电源拓扑结构、先进的控制策略、可再生能源的利用以及智能电源管理技术等手段，可以显著降低通信基站电源系统的能耗和提高其效率。新一代通信基站低功耗电源在能耗、效率和可靠性等方面均表现出明显的优势。未来随着通信技术的不断发展和进步，新一代通信基站低功耗电源将会得到更广泛的应用和推广。

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