隨著蜂窩網(wǎng)絡運營商陸續(xù)開啟并提供5G服務，全球用戶都在期待新一代移動網(wǎng)絡技術帶來的好處。消費者可以通過5G獲得更高的帶寬、更低的延遲和更先進的服務，但是這些當然也要付出一定代價。對用戶而言，這將意味著服務價格會有所提高，但對電信和網(wǎng)絡運營商而言，設備和運營成本幾乎會是指數(shù)上升；在短期內這看似痛苦，但運營商會長期受益。

除了新設備的成本外，運營支出也會增加，因為一個不可避免的事實是：5G比4G需要更多的電力；據(jù)業(yè)內估計，5G的電力需求將增加近70％（見圖1）。例如，一個4G基站消耗大約7 kW的功率，而一個5G基站將消耗超過11 kW的功率。對于帶有多個通道的站點，功率需求可能會達到20 kW。

圖1：一個典型5G電信站點的功耗（來源：華為）。

5G服務耗電巨大

雖然5G具有更高效率，單位比特數(shù)據(jù)會消耗較低的電力，但網(wǎng)絡的更高容量將導致總功耗的凈增加。這其中原因之一是由于網(wǎng)絡拓撲架構，大規(guī)模使用多進多出（MIMO）天線將使收發(fā)器的數(shù)量同樣大量增加。這里使用的術語是64T64R，即64個發(fā)射器和64個接收器，如果將其與通常使用的4T4R 4G基站進行比較，可以清楚地知道在哪里消耗了過多的功率。

實際上，似乎某些運營商正在考慮將收發(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的挑戰(zhàn)。

眾所周知，與之前的網(wǎng)絡相比，5G需要更多基站，這一方面是因為更高帶寬需要更大的容量，還由于5G所使用的波長具有更短的傳播距離，需要在新位置架設更多基站。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)以及農村和偏遠地區(qū)部署更多站點。由于這兩種情況的推動，實際用于電力消耗的成本增加都將是非常可觀，從而推高運營成本。

更為復雜的是，通信行業(yè)已經(jīng)使3 kW 48 VDC電源標準化，由于總功率需求至少會翻一番，因此運營商將需要大幅提高功率密度，以便能夠使用包括電纜在內的現(xiàn)有主流基礎設施，在相同的大小空間內提供更高功率。

邊緣網(wǎng)絡的功率需求

新一代5G網(wǎng)絡將在每個站點都需要更大容量，但這在邊緣網(wǎng)絡可能最為明顯（見圖2）。盡管現(xiàn)有網(wǎng)絡中存在等效性（equivalence），但它們可能受到功率限制，僅具有足夠的功率來運行4G單元（cell）。要向這些站點提供兩倍的功率可能非常不現(xiàn)實，這一方面可能是由于供應商提供的基礎設施根本無法支持更高的功率，或者是因為這樣做造成的成本上升使其在商業(yè)運行上無法實現(xiàn)。

圖2：5G生態(tài)系統(tǒng)中的開關模式電源（SMPS）。

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

5G 與 GaN

解決上述設計難題的唯一方法是提高功率轉換級的效率，從而在相同的占位面積下提供更大的功率輸出，而輸入功率則沒有必要去相應增加70％。要實現(xiàn)該目標，有兩種技術可供考慮：氮化鎵（GaN）和SMD封裝。

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首先，SMD或表面貼裝器件能夠為集成式器件提供較小的占位面積。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，就功率半導體而言，僅從THD轉移到SMD，而不從實質上解決器件的效率問題，將導致更高的熱密度。

熱密度是功率密度帶來的必然結果，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封裝可以簡化PCB設計，尤其是因為它允許使用頂部冷卻，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功率半導體器件，雖然可以提高功率密度，但也會增大熱密度。即使器件具有更好的導熱性能，除非開關效率也能夠提高，否則器件仍將受到工作溫度的限制?；?a href="http://m.makelele.cn/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET的功率轉換拓撲架構已達到98％左右的效率水平，幾乎沒有進一步改進的余地。但是，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等基于寬帶隙技術的功率晶體管本質上比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、高功率下開關物理特性，這其中包括具有較低的導通電阻，更重要的是，它具有明顯降低的開關損耗，使得功率轉換器可以在更高的開關頻率下工作，因而可以直接簡化開關電源拓撲所需的磁性分立元件組件。反過來，這將導致實現(xiàn)總體上體積更小的解決方案，并進而實現(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提高，并且在大多數(shù)情況會下降。

圖3：GaN可提供更高的功率密度和更高的轉換效率。

圖3所示為應用帕累托分析（Pareto Analysis）得到的二維圖，其中描述了在50％負載下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，與最先進的硅MOSFET解決方案相比，在電源轉換中使用英飛凌CoolGaN器件能夠實現(xiàn)更高的效率、更高的功率密度或兩者的結合。

結論

GaN是一項非常適合于5G網(wǎng)絡基礎設施中電源轉換的技術，5G網(wǎng)絡基礎設施的要求與GaN的技術優(yōu)勢幾乎完美匹配，雖然實際應用中也許并不會有太大的功率容量需求，但在網(wǎng)絡中真正需要的場合提供適當?shù)墓β蕦⒛軌蚴?G更好地兌現(xiàn)其服務承諾。

審核編輯 ：李倩