隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商陸續(xù)開(kāi)啟并提供5G服務(wù)，全球用戶都在期待新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)的好處。消費(fèi)者可以通過(guò)5G獲得更高的帶寬、更低的延遲和更先進(jìn)的服務(wù)，但是這些當(dāng)然也要付出一定代價(jià)。對(duì)用戶而言，這將意味著服務(wù)價(jià)格會(huì)有所提高，但對(duì)電信和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商而言，設(shè)備和運(yùn)營(yíng)成本幾乎會(huì)是指數(shù)上升；在短期內(nèi)這看似痛苦，但運(yùn)營(yíng)商會(huì)長(zhǎng)期受益。

除了新設(shè)備的成本外，運(yùn)營(yíng)支出也會(huì)增加，因?yàn)橐粋€(gè)不可避免的事實(shí)是：5G比4G需要更多的電力；據(jù)業(yè)內(nèi)估計(jì)，5G的電力需求將增加近70％（見(jiàn)圖1）。例如，一個(gè)4G基站消耗大約7 kW的功率，而一個(gè)5G基站將消耗超過(guò)11 kW的功率。對(duì)于帶有多個(gè)通道的站點(diǎn)，功率需求可能會(huì)達(dá)到20 kW。

圖1：一個(gè)典型5G電信站點(diǎn)的功耗（來(lái)源：華為）。

5G服務(wù)耗電巨大

雖然5G具有更高效率，單位比特?cái)?shù)據(jù)會(huì)消耗較低的電力，但網(wǎng)絡(luò)的更高容量將導(dǎo)致總功耗的凈增加。這其中原因之一是由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，大規(guī)模使用多進(jìn)多出（MIMO）天線將使收發(fā)器的數(shù)量同樣大量增加。這里使用的術(shù)語(yǔ)是64T64R，即64個(gè)發(fā)射器和64個(gè)接收器，如果將其與通常使用的4T4R 4G基站進(jìn)行比較，可以清楚地知道在哪里消耗了過(guò)多的功率。

實(shí)際上，似乎某些運(yùn)營(yíng)商正在考慮將收發(fā)器的數(shù)量減少到32T32R，甚至到16T16R，從而減小網(wǎng)絡(luò)容量，以降低不斷增加的功率需求。這在一定程度上是出于緩解消耗更多電力所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

眾所周知，與之前的網(wǎng)絡(luò)相比，5G需要更多基站，這一方面是因?yàn)楦邘捫枰蟮娜萘浚€由于5G所使用的波長(zhǎng)具有更短的傳播距離，需要在新位置架設(shè)更多基站。而且為了提供更廣泛的覆蓋范圍，也需要在包括人口稠密的城市地區(qū)以及農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)部署更多站點(diǎn)。由于這兩種情況的推動(dòng)，實(shí)際用于電力消耗的成本增加都將是非常可觀，從而推高運(yùn)營(yíng)成本。

更為復(fù)雜的是，通信行業(yè)已經(jīng)使3 kW 48 VDC電源標(biāo)準(zhǔn)化，由于總功率需求至少會(huì)翻一番，因此運(yùn)營(yíng)商將需要大幅提高功率密度，以便能夠使用包括電纜在內(nèi)的現(xiàn)有主流基礎(chǔ)設(shè)施，在相同的大小空間內(nèi)提供更高功率。

邊緣網(wǎng)絡(luò)的功率需求

新一代5G網(wǎng)絡(luò)將在每個(gè)站點(diǎn)都需要更大容量，但這在邊緣網(wǎng)絡(luò)可能最為明顯（見(jiàn)圖2）。盡管現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中存在等效性（equivalence），但它們可能受到功率限制，僅具有足夠的功率來(lái)運(yùn)行4G單元（cell）。要向這些站點(diǎn)提供兩倍的功率可能非常不現(xiàn)實(shí)，這一方面可能是由于供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施根本無(wú)法支持更高的功率，或者是因?yàn)檫@樣做造成的成本上升使其在商業(yè)運(yùn)行上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

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

電力需求增加的原因不僅僅是由于實(shí)施5G所需的額外硬件，更強(qiáng)大的基站功能也增大了電力消耗。5G服務(wù)在所有方面都將超越以前的網(wǎng)絡(luò)，將需要更高的計(jì)算能力。

5G 與 GaN

解決上述設(shè)計(jì)難題的唯一方法是提高功率轉(zhuǎn)換級(jí)的效率，從而在相同的占位面積下提供更大的功率輸出，而輸入功率則沒(méi)有必要去相應(yīng)增加70％。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，有兩種技術(shù)可供考慮：氮化鎵（GaN）和SMD封裝。

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首先，SMD或表面貼裝器件能夠?yàn)榧墒狡骷峁┹^小的占位面積。更重要的是，顧名思義，這些器件是安裝在PCB表面，而不是采用電鍍通孔和管腳穿過(guò)PCB安裝的通孔安裝器件（THD）。通常情況下，由于SMD封裝比THD封裝小，因此SMD可以立即提高功能密度。但是，就功率半導(dǎo)體而言，僅從THD轉(zhuǎn)移到SMD，而不從實(shí)質(zhì)上解決器件的效率問(wèn)題，將導(dǎo)致更高的熱密度。

熱密度是功率密度帶來(lái)的必然結(jié)果，雖然必須要提高功率密度，但只有在熱密度保持不變或最好降低熱密度的情況下才更加可行。

使用SMD封裝可以簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)，尤其是因?yàn)樗试S使用頂部冷卻，功率器件的頂部能夠與外殼（通常為鋁）直接接觸，因而從晶體管結(jié)到周圍空氣的散熱路徑縮短很多。

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如果采用常規(guī)的硅基SMD功率半導(dǎo)體器件，雖然可以提高功率密度，但也會(huì)增大熱密度。即使器件具有更好的導(dǎo)熱性能，除非開(kāi)關(guān)效率也能夠提高，否則器件仍將受到工作溫度的限制。基于MOSFET的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浼軜?gòu)已達(dá)到98％左右的效率水平，幾乎沒(méi)有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。但是，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等基于寬帶隙技術(shù)的功率晶體管本質(zhì)上比MOSFET效率更高，使其成為SMD封裝的理想選擇。

更為重要的是，表面貼裝GaN器件與硅器件相比，具有更好的在高頻、高功率下開(kāi)關(guān)物理特性，這其中包括具有較低的導(dǎo)通電阻，更重要的是，它具有明顯降低的開(kāi)關(guān)損耗，使得功率轉(zhuǎn)換器可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作，因而可以直接簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源拓?fù)渌璧拇判苑至⒃M件。反過(guò)來(lái)，這將導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)總體上體積更小的解決方案，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。最重要的是，GaN固有的更高效率意味著熱量密度不會(huì)提高，并且在大多數(shù)情況會(huì)下降。

圖3：GaN可提供更高的功率密度和更高的轉(zhuǎn)換效率。

圖3所示為應(yīng)用帕累托分析（Pareto Analysis）得到的二維圖，其中描述了在50％負(fù)載下3kW / 48V PSU功率密度和效率的所有可能組合。正如圖中所表明的那樣，與最先進(jìn)的硅MOSFET解決方案相比，在電源轉(zhuǎn)換中使用英飛凌CoolGaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、更高的功率密度或兩者的結(jié)合。

結(jié)論

GaN是一項(xiàng)非常適合于5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中電源轉(zhuǎn)換的技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的要求與GaN的技術(shù)優(yōu)勢(shì)幾乎完美匹配，雖然實(shí)際應(yīng)用中也許并不會(huì)有太大的功率容量需求，但在網(wǎng)絡(luò)中真正需要的場(chǎng)合提供適當(dāng)?shù)墓β蕦⒛軌蚴?G更好地兌現(xiàn)其服務(wù)承諾。

審核編輯 ：李倩