GaN将成为满足耗电巨大5G网络的关键技术

winniewei 提交于 周二, 12/03/2019
GaN将成为满足耗电巨大5G网络的关键技术

作者:英飞凌公司首席应用工程师Francesco Di Domenico

随着蜂窝网络运营商陆续开启并提供5G服务,全球用户都在期待新一代移动网络技术带来的好处。消费者可以通过5G获得更高的带宽、更低的延迟和更先进的服务,但是这些当然也要付出一定代价。对用户而言,这将意味着服务价格会有所提高,但对电信和网络运营商而言,设备和运营成本几乎会是指数上升;在短期内这看似痛苦,但运营商会长期受益。

除了新设备的成本外,运营支出也会增加,因为一个不可避免的事实是:5G4G需要更多的电力;据业内估计,5G的电力需求将增加近70%(见图1)。例如,一个4G基站消耗大约7 kW的功率,而一个5G基站将消耗超过11 kW的功率。对于带有多个通道的站点,功率需求可能会达到20 kW

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1:一个典型5G电信站点的功耗(来源:华为)。

5G服务耗电巨大

虽然5G具有更高效率,单位比特数据会消耗较低的电力,但网络的更高容量将导致总功耗的净增加。这其中原因之一是由于网络拓扑架构,大规模使用多进多出(MIMO)天线将使收发器的数量同样大量增加。这里使用的术语是64T64R,即64个发射器和64个接收器,如果将其与通常使用的4T4R 4G基站进行比较,可以清楚地知道在哪里消耗了过多的功率。

实际上,似乎某些运营商正在考虑将收发器的数量减少到32T32R,甚至到16T16R,从而减小网络容量,以降低不断增加的功率需求。这在一定程度上是出于缓解消耗更多电力所带来的挑战。

众所周知,与之前的网络相比,5G需要更多基站,这一方面是因为更高带宽需要更大的容量,还由于5G中所使用的波长具有更短的传播距离,需要在新位置架设更多基站。而且为了提供更广泛的覆盖范围,也需要在包括人口稠密的城市地区以及农村和偏远地区部署更多站点。由于这两种情况的推动,实际用于电力消耗的成本增加都将是非常可观,从而推高运营成本。

更为复杂的是,通信行业已经使3 kW 48 VDC电源标准化,由于总功率需求至少会翻一番,因此运营商将需要大幅提高功率密度,以便能够使用包括电缆在内的现有主流基础设施,在相同的大小空间内提供更高功率。

边缘网络的功率需求

新一代5G网络将在每个站点都需要更大容量,但这在边缘网络可能最为明显(见图2)。尽管现有网络中存在等效性(equivalence),但它们可能受到功率限制,仅具有足够的功率来运行4G单元(cell)。要向这些站点提供两倍的功率可能非常不现实,这一方面可能是由于供应商提供的基础设施根本无法支持更高的功率,或者是因为这样做造成的成本上升使其在商业运行上无法实现。

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25G生态系统中的开关模式电源(SMPS)。

电力需求增加的原因不仅仅是由于实施5G所需的额外硬件,更强大的基站功能也增大了电力消耗。5G服务在所有方面都将超越以前的网络,将需要更高的计算能力。

5GGaN

解决上述设计难题的唯一方法是提高功率转换级的效率,从而在相同的占位面积下提供更大的功率输出,而输入功率则没有必要去相应增加70%。要实现该目标,有两种技术可供考虑:氮化镓GaN)SMD封装。

首先,SMD或表面贴装器件能够为集成式器件提供较小的占位面积。更重要的是,顾名思义,这些器件是安装在PCB表面,而不是采用电镀通孔和管脚穿过PCB安装的通孔安装器件(THD)。通常情况下,由于SMD封装比THD封装小,因此SMD可以立即提高功能密度。但是,就功率半导体而言,仅从THD转移到SMD,而不从实质上解决器件的效率问题,将导致更高的热密度。

热密度是功率密度带来的必然结果,虽然必须要提高功率密度,但只有在热密度保持不变或最好降低热密度的情况下才更加可行。

使用SMD封装可以简化PCB设计,尤其是因为它允许使用顶部冷却,功率器件的顶部能够与外壳(通常为铝)直接接触,因而从晶体管结到周围空气的散热路径缩短很多。

如果采用常规的硅基SMD功率半导体器件,虽然可以提高功率密度,但也会增大热密度。即使器件具有更好的导热性能,除非开关效率也能够提高,否则器件仍将受到工作温度的限制。基于MOSFET的功率转换拓扑架构已达到98%左右的效率水平,几乎没有进一步改进的余地。但是,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等基于宽带隙技术的功率晶体管本质上比MOSFET效率更高,使其成为SMD封装的理想选择。

更为重要的是,表面贴装GaN器件与硅器件相比,具有更好的在高频、高功率下开关物理特性,这其中包括具有较低的导通电阻,更重要的是,它具有明显降低的开关损耗,使得功率转换器可以在更高的开关频率下工作,因而可以直接简化开关电源拓扑所需的磁性分立元件组件。反过来,这将导致实现总体上体积更小的解决方案,并进而实现更高的功率密度。最重要的是,GaN固有的更高效率意味着热量密度不会提高,并且在大多数情况会下降。

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3GaN可提供更高的功率密度和更高的转换效率。

3中所示为应用帕累托分析(Pareto Analysis)得到的二维图,其中描述了在50%负载下3kW / 48V PSU功率密度和效率的所有可能组合。正如图中所表明的那样,与最先进的硅MOSFET解决方案相比,在电源转换中使用CoolGaN器件能够实现更高的效率、更高的功率密度或两者的结合。

结论

GaN是一项非常适合于5G网络基础设施中电源转换的技术,5G网络基础设施的要求与GaN的技术优势几乎完美匹配,虽然实际应用中也许并不会有太大的功率容量需求,但在网络中真正需要的场合提供适当的功率将能够使5G更好地兑现其服务承诺。

相对于4G而言,5G的更高功率要求将给现有基础设施带来持续压力,并迫使制造商进行创新,以提高功率密度并降低热密度,同时提高功率效率。欲了解英飞凌GaN产品组合和解决方案(包括SMD解决方案),以及这些解决方案如何应对上述挑战的更多信息,请访问www.infineon.com/gan

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