就地改善基礎設施電源轉換效率　GaN元件解5G供電難題

2020-10-12

Francesco Di Domenico

行動網路業者開始提供5G服務，全世界則殷切期盼這項全新行動網路技術的各項效益。消費者可預期5G提供更高頻寬、更短的延遲時間，以及各種更先進的服務，不過也必須承受代價。對客戶而言，價格將隨提供的服務內容上漲，但是對行動及網路業者而言，則需面對成本劇增的問題，並期望能以短期的痛苦換取長期利益。

除了新設備成本以外，營運支出也將上揚，因為5G需要的電力無疑比4G高出許多，業界預測電力需求將增加近70%(圖1)。例如4G基地台約耗用7kW電力，而5G基地台則將耗用11kW以上；如果基地台承載多個通道，耗電量可能達到20kW。

5G連線需大量電力

雖然5G效率可降低每位元瓦特，但由於網路容量更高，造成總耗電量仍然出現淨成長。網路拓撲是造成這種情形的原因之一，因為其中大量使用多重輸入多重輸出(MIMO)天線，同樣也大幅增加使用的收發器數量。前述天線組態為64T64R，也就是64傳輸及64接收；相較之下，4G基地台一般使用4T4R，因此很明顯可以得知額外電力是用在什麼地方。

事實上有部分業者正考慮減少收發器數量，達到32T32R或甚至16T16R的程度，以便減輕增加的電力需求，因此網路容量也會隨著縮減；這種作法的原因之一，就是因應增加供電的種種困難。

5G需要的基地台數量比先前網路更多，主要原因是更大頻寬需要更高容量，不過另一項原因則是5G波長傳播距離較短。因此不論是人口稠密的都會區，或是鄉村及偏遠地區，都需要在新地點設置基地台，以達到廣闊的覆蓋範圍。就以上兩種情況而言，都需要相當高的成本才能實際取得電力，進而增加營運成本。

另一項雪上加霜的問題，就是業界已經統一採用3kW 48VDC的電源供應器。由於總電力需求至少翻倍成長，業者需要大幅提升功率密度，才能在使用相同基礎設施(包括纜線)的情況下，以相同的占用面積提供更多電力。

網路邊緣存在電力問題新型5G網路在每個點都需要更大容量，其中又以邊緣(Edge)最為明顯(圖2)。雖然現有網路有部分是相同的，但可能有電力受限的問題，只能提供足夠電力運作4G基地台。向基地台提供兩倍電力的可行性不高，一方面是供應商的基礎設施無法支援所增加的電力，另一方面則是在商業上無法承擔成本。

電力需求增加不光是因為5G需要更多硬體，基地台功能增加也是原因之一。5G提供的服務在各方面都超越先前網路，因此需要更高的運算能力。

GaN於5G供電扮要角

因應此項設計挑戰的唯一方法，就是提升電源轉換級的效率，藉此以相同的占地面積提供更高電源輸出，毋需同樣增加70%的輸入電源。而氮化鎵(GaN)及SMD封裝這兩項技術可協助實現以上目標。

SMD就是表面黏著裝置封裝，占用面積比整合式裝置更小，更重要的是能夠黏著於PCB表面，而不是像插入式裝置(THD)使用電鍍通孔及接腳安裝穿透PCB。一般而言，SMD封裝比THD更小，可立即提升功能密度。不過就功率半導體而言，如果沒有因應裝置效率問題，就從THD改為使用SMD，會造成更高的熱密度。

熱密度與功率密度就像是一體兩面，雖然必須提升功率密度，但只有在熱密度不變或降低時才可行。若使用SMD封裝可簡化PCB設計，不僅是因為其中使用頂端冷卻，也牽涉電源元件頂部與鋁製機殼直接接觸，大幅縮短電晶體接面與環境空氣之間的熱路徑。 SMD搭配傳統的矽型功率半導體可提升功率密度，但也會增加熱密度。裝置雖然導熱能力較佳，但仍將受限於作業溫度，除非切換效率也能一同提升。以MOSFET為基礎的電源轉換拓撲，已經達到98%程度的效率水準，繼續進步的空間不大。不過以碳化矽(SiC)和GaN等寬能隙技術為基礎的功率電晶體，本身效率原本就優於MOSFET，因此是SMD封裝的良好選擇。

另外還有一項更重要的特性，就是GaN在SMD之中的物理屬性，比矽更適合在高頻情況下切換大量電源，例如更低的導通電阻，以及大幅降低的切換損耗，其中又以後者特別重要，因為這讓電源轉換器能在更高的切換頻率下運作。以上特性的直接效益，就是簡化支援切換電源供應拓撲所需的磁性獨立元件，進而縮小整體解決方案，提升功率密度。最重要的是GaN本身的效率較高，因此熱密度不會提升，甚至在大部分情況下降低。

圖3應用柏拉圖分析法(Pareto Analysis)，在50%負載的功率密度及效率條件下，以二維繪製3kW/48V PSU的所有可能組合。其中證明在電源轉換使用CoolGaN可以提升效率或功率密度，即使是最先進的矽MOSFET解決方案也難以望其項背。