面對5G基站巨大的耗電挑戰(zhàn)，GaN是業(yè)界需要的英雄

當(dāng)前，移動通信領(lǐng)域正在發(fā)生巨大變化：第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（也稱為5G）服務(wù)在陸續(xù)推出。消費者目前已經(jīng)開始體驗5G技術(shù)的優(yōu)勢，它不僅能夠憑借超快的下載速度與固網(wǎng)寬帶匹敵，而且將來還可能在蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域內(nèi)支持更高密度的移動設(shè)備和互連的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。

這種發(fā)展一方面在給消費者帶來令人興奮的好處，但在幕后，業(yè)界向5G的轉(zhuǎn)變也充滿了挑戰(zhàn)、高成本以及其他爭議。例如無線電頻譜許可的分配［1］，關(guān)于用戶在使用5G時帶來的健康風(fēng)險由于溝通不善而引發(fā)恐慌［2］等等，國際貿(mào)易競爭對手之間對網(wǎng)絡(luò)安全的擔(dān)憂以及產(chǎn)生的后果［3］等問題也在困擾著向5G的遷移過程。

毫無疑問，5G對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和其他運營商而言都將是一項有利可圖的業(yè)務(wù)，但也需要大量的前期投資來升級、改進和替換現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。不僅網(wǎng)絡(luò)檢修的前期成本可能會使網(wǎng)絡(luò)運營商徹夜難眠，而且還會包括持續(xù)發(fā)生的運營支出等問題。5G網(wǎng)絡(luò)比4G將消耗更多的電力，這是一個不可回避的事實。實際上，根據(jù)預(yù)測，5G的功率消耗將增加近70％??（見圖1）。例如，一個4G基站可能需要大約7kW的功率，而一個5G基站將需要超過11kW的功率，如果基站需要承載多個信道，其功率消耗甚至可能高達20kW。

圖1：典型5G通信基站的功率消耗（來源：華為）。

所有要求都在提高

盡管5G網(wǎng)絡(luò)通常比第四代通信技術(shù)效率更高，但每個小區(qū)（cell）由于容量增大將導(dǎo)致整體功率消耗大幅上升。導(dǎo)致這些的原因是由于在每個無線電信道上使用了大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）天線來改善信號質(zhì)量。與通常使用4T4R（4個發(fā)射器，4個接收器）的4G基站相比，5G基站使用64T64R。

因此，可以明確地看到為什么5G對電力需求如此之高。一些5G網(wǎng)絡(luò)提供商在搭建網(wǎng)絡(luò)和提供服務(wù)時對于MIMO苦不堪言，甚至在討論是否可以將基站的收發(fā)器數(shù)量降低為32T32R以節(jié)省功率，但這樣會極大地限制網(wǎng)絡(luò)容量。

除了使現(xiàn)有基站的功率需求增加以外，令問題更加復(fù)雜的另一個挑戰(zhàn)是需要比以往數(shù)量更多的基站。這其中部分原因是由于5G技術(shù)特有的無線電波長更加受限，這意味著需要更高的基站密集度才能為特定區(qū)域提供有效覆蓋。建設(shè)這些新基站，并安裝支持它們的電網(wǎng)而導(dǎo)致的成本也將是非常高昂。

最后，還存在電源問題。即使所需的總功率僅增加一倍，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3kW 48VDC電源也將嚴(yán)重不足。因此，需要在與現(xiàn)有設(shè)備大致相當(dāng)?shù)目臻g內(nèi)顯著提高功率密度，以輸送所需的更高功率。

轉(zhuǎn)向邊緣網(wǎng)絡(luò)

隨著越來越大強的處理能力轉(zhuǎn)移到實際發(fā)生數(shù)據(jù)收集的邊緣網(wǎng)絡(luò)，5G通信將在網(wǎng)絡(luò)地圖方面發(fā)生重大變化（見圖2）。不僅需要額外的硬件來實施5G技術(shù)，而且各個基站本身也將需要更多的計算能力來支持新一代移動寬帶提供的更廣泛服務(wù)。隨著運營商已經(jīng)開始部署邊緣計算，每個基站的電源架構(gòu)也需要仔細(xì)考慮。

圖2：5G生態(tài)系統(tǒng)中的開關(guān)模式電源（SMPS）。

更高功率密度，更少熱量？

從上述討論所涉及的觀點來看，很明顯，未來仍將面臨一些艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)。只有通過提高功率轉(zhuǎn)換的效率，才能支持所需的輸入功率，并且有助于在相同的空間內(nèi)提供更高功率。而實現(xiàn)這一高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵在于，將氮化鎵（GaN）寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)與尖端的表面貼裝器件（SMD）封裝完美地結(jié)合。

與通孔器件（THD）不同，表面貼裝器件直接安裝在PCB表面，消除了通孔和引線，并可以在同樣空間內(nèi)實現(xiàn)更多功能，使電路板上有更多可用空間，因而能夠提高功率密度。

但是，提高功率密度可能是一把雙刃劍，因為高功率密度通常帶來相應(yīng)的高熱密度。只有在熱密度保持不便或盡可能減小的情況下，通過給定區(qū)域提供更高的功率才真正有意義。SMD封裝在這方面具有顯著優(yōu)勢，因為它可以使封裝頂部直接與由鋁等材料制成的外殼接觸來實現(xiàn)冷卻，這為熱量從晶體管結(jié)散發(fā)到環(huán)境空氣提供了一條更短的路徑。

在表面貼裝器件中如果使用傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體將無法實現(xiàn)較低的熱密度，即使封裝技術(shù)得到不斷改進，并能夠提供更好的導(dǎo)熱性，硅半導(dǎo)體器件仍將受到工作溫度的限制，除非半導(dǎo)體材料能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的開關(guān)。雖然Si MOSFET已達到效率的上限，但碳化硅（SiC）和GaN等新型寬帶隙半導(dǎo)體則能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率。

在SMD封裝下，GaN具有某些特定的物理特性，與硅器件相比，GaN能夠以更高的頻率開關(guān)更高的功率，并且具有更低的導(dǎo)通電阻（RDS（on））和更低的開關(guān)損耗。由于功率轉(zhuǎn)換器可以在更高頻率下工作，電路中所需的磁性分立元件數(shù)量大幅減少，因此能夠簡化電源拓?fù)浼軜?gòu)，從而實現(xiàn)更高的功率密度。此外，GaN固有的高效率意味著在大多數(shù)情況下可以降低熱密度。

圖3：GaN可提供更高的功率密度和更高的轉(zhuǎn)換效率。

圖3所示為50％負(fù)載條件下3kW 48V電源（PSU）所有可能功率密度和效率組合的帕累托分析（Pareto analysis），從中可以看出，與最先進的Si MOSFET解決方案相比，在功率轉(zhuǎn)換解決方案中使用英飛凌的CoolGaN能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，更高的功率密度，或兩者兼而有之。

因此，很明顯，用SMD封裝實現(xiàn)的GaN器件可以完美滿足5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的苛刻要求，并且能夠使網(wǎng)絡(luò)運營商即便在最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場合也可以提供5G的強大功能。

　　參考資料

［1］ 華爾街日報，2019年11月11日

（https://www.wsj.com/articles/u-s-government-is-tripping-over-itself-in-race-to-dominate-5g-technology-11573527840）

［2］ 紐約時報，2019年7月16日

（https://www.nyTImes.com/2019/07/16/science/5g-cellphones-wireless-cancer.html）

［3］ 科技媒體The Verge，2018年8月13日

（https://www.theverge.com/2018/8/13/17686310/huawei-zte-us-government-contractor-ban-trump