面对5G基站巨大的耗电挑战，GaN是业界需要的英雄

当前，移动通信领域正在发生巨大变化：第五代蜂窝网络技术（也称为5G）服务在陆续推出。消费者目前已经开始体验5G技术的优势，它不仅能够凭借超快的下载速度与固网宽带匹敌，而且将来还可能在蜂窝网络服务区域内支持更高密度的移动设备和互连的物联网（IoT）设备。

这种发展一方面在给消费者带来令人兴奋的好处，但在幕后，业界向5G的转变也充满了挑战、高成本以及其他争议。例如无线电频谱许可的分配［1］，关于用户在使用5G时带来的健康风险由于沟通不善而引发恐慌［2］等等，国际贸易竞争对手之间对网络安全的担忧以及产生的后果［3］等问题也在困扰着向5G的迁移过程。

毫无疑问，5G对于蜂窝网络和其他运营商而言都将是一项有利可图的业务，但也需要大量的前期投资来升级、改进和替换现有的蜂窝网络基础设施。不仅网络检修的前期成本可能会使网络运营商彻夜难眠，而且还会包括持续发生的运营支出等问题。5G网络比4G将消耗更多的电力，这是一个不可回避的事实。实际上，根据预测，5G的功率消耗将增加近70％​​（见图1）。例如，一个4G基站可能需要大约7kW的功率，而一个5G基站将需要超过11kW的功率，如果基站需要承载多个信道，其功率消耗甚至可能高达20kW。

图1：典型5G通信基站的功率消耗（来源：华为）。

所有要求都在提高

尽管5G网络通常比第四代通信技术效率更高，但每个小区（cell）由于容量增大将导致整体功率消耗大幅上升。导致这些的原因是由于在每个无线电信道上使用了大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线来改善信号质量。与通常使用4T4R（4个发射器，4个接收器）的4G基站相比，5G基站使用64T64R。

因此，可以明确地看到为什么5G对电力需求如此之高。一些5G网络提供商在搭建网络和提供服务时对于MIMO苦不堪言，甚至在讨论是否可以将基站的收发器数量降低为32T32R以节省功率，但这样会极大地限制网络容量。

除了使现有基站的功率需求增加以外，令问题更加复杂的另一个挑战是需要比以往数量更多的基站。这其中部分原因是由于5G技术特有的无线电波长更加受限，这意味着需要更高的基站密集度才能为特定区域提供有效覆盖。建设这些新基站，并安装支持它们的电网而导致的成本也将是非常高昂。

最后，还存在电源问题。即使所需的总功率仅增加一倍，行业标准的3kW 48VDC电源也将严重不足。因此，需要在与现有设备大致相当的空间内显著提高功率密度，以输送所需的更高功率。

转向边缘网络

随着越来越大强的处理能力转移到实际发生数据收集的边缘网络，5G通信将在网络地图方面发生重大变化（见图2）。不仅需要额外的硬件来实施5G技术，而且各个基站本身也将需要更多的计算能力来支持新一代移动宽带提供的更广泛服务。随着运营商已经开始部署边缘计算，每个基站的电源架构也需要仔细考虑。

图2：5G生态系统中的开关模式电源（SMPS）。

更高功率密度，更少热量？

从上述讨论所涉及的观点来看，很明显，未来仍将面临一些艰巨的设计挑战。只有通过提高功率转换的效率，才能支持所需的输入功率，并且有助于在相同的空间内提供更高功率。而实现这一高转换效率的关键在于，将氮化镓（GaN）宽带隙半导体技术与尖端的表面贴装器件（SMD）封装完美地结合。

与通孔器件（THD）不同，表面贴装器件直接安装在PCB表面，消除了通孔和引线，并可以在同样空间内实现更多功能，使电路板上有更多可用空间，因而能够提高功率密度。

但是，提高功率密度可能是一把双刃剑，因为高功率密度通常带来相应的高热密度。只有在热密度保持不便或尽可能减小的情况下，通过给定区域提供更高的功率才真正有意义。SMD封装在这方面具有显著优势，因为它可以使封装顶部直接与由铝等材料制成的外壳接触来实现冷却，这为热量从晶体管结散发到环境空气提供了一条更短的路径。

在表面贴装器件中如果使用传统的硅半导体将无法实现较低的热密度，即使封装技术得到不断改进，并能够提供更好的导热性，硅半导体器件仍将受到工作温度的限制，除非半导体材料能够实现更高效的开关。虽然Si MOSFET已达到效率的上限，但碳化硅（SiC）和GaN等新型宽带隙半导体则能够实现更高的效率。

在SMD封装下，GaN具有某些特定的物理特性，与硅器件相比，GaN能够以更高的频率开关更高的功率，并且具有更低的导通电阻（RDS（on））和更低的开关损耗。由于功率转换器可以在更高频率下工作，电路中所需的磁性分立元件数量大幅减少，因此能够简化电源拓扑架构，从而实现更高的功率密度。此外，GaN固有的高效率意味着在大多数情况下可以降低热密度。

图3：GaN可提供更高的功率密度和更高的转换效率。

图3所示为50％负载条件下3kW 48V电源（PSU）所有可能功率密度和效率组合的帕累托分析（Pareto analysis），从中可以看出，与最先进的Si MOSFET解决方案相比，在功率转换解决方案中使用英飞凌的CoolGaN能够实现更高的效率，更高的功率密度，或两者兼而有之。

因此，很明显，用SMD封装实现的GaN器件可以完美满足5G网络基础设施的苛刻要求，并且能够使网络运营商即便在最具挑战性的应用场合也可以提供5G的强大功能。

　　参考资料

［1］ 华尔街日报，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］ 纽约时报，2019年7月16日

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

［3］ 科技媒体The Verge，2018年8月13日

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