5G有望为全面互联的社会带来无数全新应用，并推动数据传输量呈指数级增长。与此同时，5G NR（新空口）接口的设计需要支持数十亿台联网设备，这将导致全球网络中基站数量的大幅增长。更多的基站需要更多的电力，数据中心的服务器数量也同样如此。然而，网络和数据中心运营商同时面临着降低能源成本的环境和经济压力。.
本文探讨了这些挑战，以及像 Flex 这样的组织如何通过 DC/DC 转换和高效小型电源解决方案等创新技术来帮助运营商和数据中心所有者应对这些挑战。.
5G概述
当前的无线网络难以满足全球日益增长且永无止境的数据需求，而物联网、自动驾驶汽车和虚拟现实等创新技术的出现更是加剧了这一需求。鉴于此，国际电信联盟（ITU）于2015年发布了5G规范（图1），其中包含多项严苛的要求，例如高达20 GB/s的峰值数据速率（比4G快10到20倍）、超低延迟以及高达100万台设备/平方公里的连接密度。.
图 1：5G 的部分关键性能指标
（资料来源：《5G助力互联工业与自动化》，第二版，白皮书，5GACIA，2018年11月）
为了满足这些苛刻的要求，5G网络设计人员采用了多种变革性技术，其中包括：
- 大规模 MIMO 结合波束成形技术，应用于 5G 无线接入网 (RAN) 中
- 使用 30 GHz 及以上的毫米波频率，以提供 5G 规范所需的巨大带宽。
- 增强的网络管理功能，包括网络切片，允许针对特定应用程序定制服务。
互联网数据的经济学
一些分析师预测，到2023年底，数据速率将达到每月近107艾字节（EB）（年复合增长率为39%）。此外，2011年的一项参考研究也支持这一预测。[我]计算得出，每使用 1 GB 互联网数据大约需要 5 kWh 的电量——如果功耗随着数据使用量线性增长，这将导致一些惊人的结果。.
因此，如果5G技术要兼顾环境可持续性和经济可行性，其功耗就必须大幅降低。接下来的章节将探讨5G能源成本的一些驱动因素，以及一些降低5G能耗的潜在解决方案。.
运营商和数据中心所有者面临的具体挑战
5G 的推出将给网络运营商和数据中心运营商带来诸多挑战。.
在网络中，物联网设备和其他应用的海量连接需求，以及毫米波的传播特性，将推动基站数量的大幅增长。借助大规模MIMO技术，5G基站最多可配备64个发射器。在没有任何节能措施的情况下，一个典型的双发射器4G RRU的300瓦输入功率需求，将转化为一个配备64个发射器的5G AAU的1100至1500瓦。考虑到基站的功耗已占网络总功耗的60%，而运营商的能源成本预计为15%的运营支出，这种情况是不可持续的，必须在5G网络设计中融入创新的节能措施。.
射频功率放大器（RFPA）是5G无线网络中最昂贵、功耗最高的组件之一。由于氮化镓（GaN）晶体管固有的高击穿电压、高功率密度、宽带宽和高效率，RFPA设计人员正逐渐从LDMOS晶体管转向GaN晶体管，最初是在基站级别。与此同时，包络跟踪/恢复（ET/ER）RFPA已成为一项关键的RFPA设计技术，它能够高效且线性地放大具有高峰均功率比（PAPR）的调制信号。ET/ER需要一个高效的DC/DC转换器，以根据调制射频输入信号的幅度变化同步改变宽带RFPA的输出偏置电压。.
数据中心需要提升处理能力和存储容量以应对不断增长的数据量，这意味着需要更多的服务器、机架、电力、冷却设备和空间。然而，一些研究估计，数据中心消耗了全球3%的电力，并排放了2%的温室气体，因此数据中心面临着巨大的压力，既要降低能耗，又要提高可再生能源的使用率。.
因此，网络和数据中心运营商面临着双重挑战：如何在更小的空间内集成更多功能，以及如何降低能耗。虽然超精简网络设计和虚拟化等节能技术在网络和数据中心领域均有应用，但数字电源管理和直流转换技术已经彻底改变了系统设计，使得服务器和其他电子设备更加高效紧凑。数字电源模块融合了数字通信和高密度、高效率模块化直流/直流解决方案的优势，使系统设计人员能够开发出尺寸更小、更高效的紧凑型产品。由于设计人员可以利用电源模块的功能以及一系列支持工具，无需再为复杂的电源设计而烦恼，从而能够专注于开发增值产品功能，因此新产品的上市时间得以缩短。.
图 2：Flex 功率模块 PKJ 系列数字 DC-DC 转换器
Flex 数字电源设计方案
由于近期收购了爱立信电源模块业务，Flex 电源模块在电信和数据中心应用领域拥有超过 40 年的数字电源解决方案供应经验。Flex 的 DC/DC 电源产品具有超高效率（目前最高可达 97%，并将很快超越 98%）、极高的可靠性、通过 PMBus 实现的配置和控制功能，以及小至十六分之一砖尺寸的紧凑外形，为应对 5G 挑战提供了有效的解决方案。.
Flex 电源模块的产品组合包括各种隔离式 DC/DC 转换器和非隔离式负载点 (PoL) 转换器，以及用于 ATCA 应用（例如处理器和开关刀片）的电源接口模块 (PIM)。例如，该产品组合是针对 RFPA 应用的特定挑战而开发的，其中包括 PKJ 系列（提供 28V 或 50V 标称输出电压，效率高达 96.5%，可在半砖式封装中提供 700W 的功率）； PKM-D 系列（包括高密度 500W 四分之一砖 DC-DC 转换器，典型效率在 48Vin 和半负载下峰值可达 95.5%，输出调节范围为 14V 至 35V）、PKB-D 系列（包括八分之一砖转换器，输出电压为 50V，电流为 5A，输入电压范围为 36 至 60V）等等。.
Flex 电源模块全面的产品系列辅以一套领先的工程设计工具，其中包括： 伟创力 Power Designer 软件，. 这项创新工具使系统设计人员能够进行详细的仿真，包括热建模，从而最大限度地减少电力系统设计错误，缩短开发时间，进而加快新产品的上市速度。.
结论
5G网络和数据中心的可持续性和经济可行性越来越依赖于先进的数字电源技术。Flex Power Modules是全球领先的数字电源解决方案供应商，拥有端到端的数字产品组合，包括PIM、隔离砖和数字PoL模块，以及不断增长的RFPA专用产品系列，以支持基于LDMOS和GAN的设计。Flex Power Modules丰富的产品组合提供增值电源解决方案，使开发人员能够缩短设计周期，加快创新型网络和数据中心设备的上市速度。.
[i] https://www.aceee.org/files/proceedings/2012/data/papers/0193-000409.pdf
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