破解AI‑RAN功耗悖论，面向GPU算力的电信电源重构

AI‑RAN让无线接入网具备更强的自适应能力。人工智能可以优化无线资源、提升网络运行效率，并在边缘侧支撑各类新型应用。但实现上述能力所依赖的加速器计算单元，也改变了基带单元的用电特性。

传统基带处理的用电行为相对可预测。与之不同，加速器的功耗变化十分迅速。推理任务、AI模型以及混合业务负载会造成功耗的骤变。这类波动会带来更大的负载震荡与更高的发热量，同时对供电系统产生剧烈的瞬态功率需求。

仅仅提升站点供电容量无法解决该问题。针对平均负载设计的供电系统，很难应对负载的快速变化。负载变化速度可以快于控制环路的调节速度，还会造成储能与散热系统过载。

AI‑RAN尚处于发展早期，完整系统的公开功耗数据十分有限。通信站点与超大规模AI数据中心存在差异，但二者使用的加速器硬件大体相近。因此，AI服务器的供电解决方案，可为AI‑RAN提供宝贵借鉴。

基带负载走向动态化

加速器并非恒定功耗设备，功耗需求会随负载类型、任务调度、硬件利用率以及内存访问情况发生改变。即便是稳态负载工况下，功耗测量也能观察到快速波动。例如图1的功耗曲线就体现出，在持续请求速率下，Llama‑3 70B在线推理任务的加速器功耗会随负载发生快速变化。

图1：Llama‑3 70B在线推理任务在持续请求速率下的实测功耗曲线

功耗波动会传导至整个站点。功率尖峰首先作用于低压负载点母线；中间级变换器需要瞬间补足额外电能；‑48 V直流母线必须维持稳定；整流器需要快速调节，且不能产生电压跌落；最后，散热系统要为户外或机柜设备带走激增的热量。

即便是仅70 W的小型加速器，也需要精心的供电设计。板卡总功耗包含处理器、内存、I/O接口以及变换损耗，并非单一路供电轨的功耗。随着加速器算力不断提升，低压大电流、快速负载瞬态调节成为主要技术难点。

保留通信供电主干，但优化各级变换环节

传统通信供电架构依然具备很高实用价值：交流电网输入经整流器输出标准‑48 V直流母线，该母线可高效配电，支持电池后备，同时为后级DC/DC变换器供电。AI‑RAN不需要替换这套成熟的主干架构，但需要对各个环节做性能增强（图2）。

图2：AI‑RAN供电架构

AI‑RAN会增大所有供电链路的工作压力。AC/DC整流器需要在更宽工作区间内保持高效率；中间母线变换器（IBC）供电时不能出现过热；负载点（POL）变换器要在电流快速跳变时维持电压稳定；电池后备系统需要承受更高、波动更大的负载，不能发生故障。

实时遥测变得至关重要。运维人员需要监测整流器负载、母线状态、相电流、电池状态以及温度，通过统一管理平台汇总数据，让工程师在发生断电故障前排查电气或热相关隐患。

整流器：全负载区间均需保证高效率

通信整流器的性能参差不齐。现代硅基方案已经可以实现很高效率，并非一定要全部替换硅器件，而是需要评估整流器在实际日常负载下的全工况效率，同时考察功率密度、散热性能、成本与可靠性指标。

硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）各有优势：先进硅超结器件在高压级电路中表现良好；碳化硅可以降低高压大电流工况下的开关损耗与导通损耗；氮化镓在合适拓扑与散热布局下，可实现更高开关频率。

更高开关频率不等于性能更优。连续导通模式（CCM）图腾柱PFC的工作频率可能低于谐振拓扑。提高频率可以缩小磁性元件体积，但会带来开关损耗增加、电磁干扰（EMI）加剧、控制复杂度上升等问题。

有一款3.3 kW双向图腾柱PFC参考设计，采用CoolSiC™ G2与CoolMOS™器件搭配数字控制。测试中该PFC模块效率可达99.2%，功率密度73 W/in³。注意该指标仅针对PFC级，并非完整电源整机。

另一款REF‑3K3W‑HFHD‑PSU参考设计可用于高频变换方案评估。借助这类参考设计，可以在搭建站点前，完成供电拓扑、半导体器件应力、散热需求以及部分负载效率的验证。

中间母线变换与负载点变换分开设计

中间母线变换器（IBC）与负载点（POL）变换器解决的技术问题不同，应当分开选型设计。

IBC将48 V直流母线降压至中间母线（通常约12 V），设计重点是电气隔离、转换效率、功率密度，同时需要保证良好散热，在较宽输入电压范围内稳定工作。

有一款基于XDPP1100的参考设计，输入42‑60 V，输出10‑15 V；测试条件下无需散热器，最大输出电流80 A，峰值效率97.3%，功率密度564 W/in³。

POL变换器将中间电压进一步降压，输出加速器所需的低压大电流母线，瞬态稳压是这一级的核心。数字控制多相Buck变换器把总负载分摊到多路交错相位，降低每一路功率器件的电流压力，提升纹波等效频率，把发热分散到整块电路板。

大电流输出还要求负载跳变过程中各相电流均衡。英飞凌对双相方案的测试表明，300 A负载阶跃变化时，各相电流可以保持高度匹配。该测试并未复现真实AI‑RAN业务负载，但验证了现代处理器所必需的动态均流能力。

图3：300 A负载阶跃条件下，多路功率级的相电流均衡曲线

跨电感电压调节（TLVR）是多相POL的一项先进技术，将各相电感做磁耦合，改善瞬态响应，减少对大容量输出电容的依赖，对于板卡空间、高度、散热受限场景十分实用。

电池后备系统升级为有源功率单元

在储能容量不变的前提下，站点功耗提升会缩短后备续航时间。加速器动态负载给电池放电规划与热管理带来挑战，也增加了断电场景下非关键业务关停策略的设计难度。

可采用三类应对手段：提升储能容量；非关键负载卸载；故障结束后实现更快充电恢复。

实际工程方案一般会结合以上三种手段，具体取决于站点重要等级与历史故障数据。

双向变换让后备电池单元成为供电链路的有源组成部分：正常工况下变换器管理电池充电；电网异常时支撑直流母线。AI服务器电池后备单元的经验具备参考价值，不过通信系统往往要求更长保持时间、不同环境可靠性指标，并且电池支持现场维护。

一款12 kW模块化参考设计由4块3 kW功率板并联组成，电池电压工作区间36‑60 V，稳压输出48 V，采用双向部分功率变换架构；器件包含OptiMOS™ MOSFET、EiceDRIVER™栅极驱动IC、保护电路与系统控制单元；典型负载剖面下放电效率高于99%。

AI‑RAN供电设计五大要点

1. 不只关注平均功耗，充分表征动态特性：获取负载阶跃幅值、变化速率、重复频率，以及多任务同时运行的负载特征。

2. 评估整流器全工作区间效率：仅看峰值效率，无法反映轻载、负载快速波动时机柜内部发热情况。

3. IBC与POL分开提需求：母线级变换和加速器负载轨稳压，拓扑、控制目标、瞬态约束完全不同。

4. 基于真实工作模式重新核算后备电源：需要计入加速器功耗、散热、变换损耗、负载卸载、充电恢复特性。

5. 供电、热管理、保护、遥测协同设计：具备站点全局监测能力，在电气、热阈值触发前实现可控的系统响应。

总结

AI‑RAN保留成熟的‑48 V通信供电主干，但所有后级变换环节都必须能够应对AI业务的动态负载。宽范围高效率整流器、IBC与POL分级架构、多相控制、有源电池后备是关键技术。依靠上述技术，AI‑RAN系统可以满足通信行业在可靠性、功率密度、散热方面的标准要求。