當前，移動通信領域正在發生巨大變化：第五代蜂窩網絡技術（也稱為5G）服務在陸續推出。消費者目前已經開始體驗5G技術的優勢，它不僅能夠憑借超快的下載速度與固網寬帶匹敵，而且將來還可能在蜂窩網絡服務區域內支持更高密度的移動設備和互連的物聯網（IoT）設備。

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

毫無疑問，5G對于蜂窩網絡和其他運營商而言都將是一項有利可圖的業務，但也需要大量的前期投資來升級、改進和替換現有的蜂窩網絡基礎設施。不僅網絡檢修的前期成本可能會使網絡運營商徹夜難眠，而且還會包括持續發生的運營支出等問題。5G網絡比4G將消耗更多的電力，這是一個不可回避的事實。實際上，根據預測，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網絡通常比第四代通信技術效率更高，但每個小區（cell）由于容量增大將導致整體功率消耗大幅上升。導致這些的原因是由于在每個無線電信道上使用了大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）天線來改善信號質量。與通常使用4T4R（4個發射器，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網絡提供商在搭建網絡和提供服務時對于MIMO苦不堪言，甚至在討論是否可以將基站的收發器數量降低為32T32R以節省功率，但這樣會極大地限制網絡容量。

除了使現有基站的功率需求增加以外，令問題更加復雜的另一個挑戰是需要比以往數量更多的基站。這其中部分原因是由于5G技術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域提供有效覆蓋。建設這些新基站，并安裝支持它們的電網而導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，行業標準的3kW 48VDC電源也將嚴重不足。因此，需要在與現有設備大致相當的空間內顯著提高功率密度，以輸送所需的更高功率。

轉向邊緣網絡

隨著越來越大強的處理能力轉移到實際發生數據收集的邊緣網絡，5G通信將在網絡地圖方面發生重大變化（見圖2）。不僅需要額外的硬件來實施5G技術，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。隨著運營商已經開始部署邊緣計算，每個基站的電源架構也需要仔細考慮。

圖2：5G生態系統中的開關模式電源（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計挑戰。只有通過提高功率轉換的效率，才能支持所需的輸入功率，并且有助于在相同的空間內提供更高功率。而實現這一高轉換效率的關鍵在于，將氮化鎵（GaN）寬帶隙半導體技術與尖端的表面貼裝器件（SMD）封裝完美地結合。

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實現更多功能，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冷卻，這為熱量從晶體管結散發到環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的硅半導體將無法實現較低的熱密度，即使封裝技術得到不斷改進，并能夠提供更好的導熱性，硅半導體器件仍將受到工作溫度的限制，除非半導體材料能夠實現更高效的開關。雖然Si MOSFET已達到效率的上限，但碳化硅（SiC）和GaN等新型寬帶隙半導體則能夠實現更高的效率。

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更高的功率，并且具有更低的導通電阻（RDS（on））和更低的開關損耗。由于功率轉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量大幅減少，因此能夠簡化電源拓撲架構，從而實現更高的功率密度。此外，GaN固有的高效率意味著在大多數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換效率。

圖3所示為50％負載條件下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，在功率轉換解決方案中使用英飛凌的CoolGaN能夠實現更高的效率，更高的功率密度，或兩者兼而有之。

因此，很明顯，用SMD封裝實現的GaN器件可以完美滿足5G網絡基礎設施的苛刻要求，并且能夠使網絡運營商即便在最具挑戰性的應用場合也可以提供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