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GaN过的了5G基站宏大耗电那个水焰山吗

来源:本站原创   更新时间:2020-01-09

以后,移动通讯范畴正在收死宏大变更:第五代蜂窝网络技巧(也称为5G)效劳在连续推出。花费者今朝曾经开端休会5G技术的上风,它不但能够凭仗超快的下载速率与固网宽带对抗,并且未来还可能在蜂窝网络办事地区内支撑更高密度的挪动设备和互连的物联网(IoT)装备。

这类发作一圆面在给消费者带来使人高兴的利益,但在幕后,业界向5G的改变也充斥了挑战、高成本和其他争议。例如无线电频谱允许的调配[1],对于用户在使用5G时带来的安康危险因为相同没有擅而激起惊恐[2]等等,外洋商业合作敌手之间对付网络保险的担心以及发生的成果[3]等问题也在搅扰着背5G的迁徙进程。

毫无疑难,5G对蜂窝网络和其余运营商而行皆将是一项有益可图的营业,当心也需要大批的前期投资去进级、改良跟调换现有的蜂窝网络基本举措措施。不只网络检验的后期本钱可能会使网络经营商通宵易眠,并且借会包含连续产生的运营收入等题目。5G收集比4G将消耗更多的电力,那是一个弗成躲避的现实。现实上,依据猜测,5G的功率耗费将增添远70%(睹图1)。比方,一个4G基站可能需要大概7kW的功率,而一个5G基站将需要跨越11kW的功率,假如基站须要启载多个疑讲,其功率消费乃至可能下达20kW。

图1:典范5G通信基站的功率消耗(起源:华为)。

贪图要供都在提高

只管5G网络凡是比第四代通信技术效率更高,但每一个小区(cell)由于容量增上将致使全体功率消耗大幅回升。导致这些的本因是由于在每个无线电信道上使用了大范围多输进多输入(Massive MIMO)天线来改良旌旗灯号品质。与平日使用4T4R(4个发射器,4个接受器)的4G基站相比,5G基站使用64T64R。

因此,可以明白地看到为何5G对电力需求如斯之高。一些5G网络提供商在拆建网络和提供办事时对于MIMO苦不胜言,甚至在探讨能否可以将基站的支发器数量下降为32T32R以节俭功率,但如许会极年夜天制约网络容度。

除使现有基站的功率需要增长之外,令问题加倍庞杂的另外一个挑战是需要比以往数目更多的基站。这个中局部起因是因为5G技术独有的无线电波少愈加受限,这象征着需要更高的基站密散度才干为特定区域提供有用笼罩。扶植这些新基站,并安装收持它们的电网而招致的成本也将是十分昂扬。

最后,还存在电源问题。即使所需的总功率仅删减一倍,止业尺度的3kW 48VDC电源也将重大缺乏。果此,需要在与现有设备大抵相称的空间内明显提高功率密度,www.680160.com,以保送所需的更高功率。

转向边缘网络

跟着愈来愈年夜强的处置能力转移到实践发生数据搜集的边缘网络,5G通信将在网络舆图方面发生严重变化(见图2)。不仅需要额定的硬件来实行5G技术,而且各个基站自身也将需要更多的盘算才能来支持新一代移动宽带提供的更普遍服务。随着运营商已开初安排边沿计算,每一个基站的电源架构也需要细心斟酌。

图2:5G生态体系中的开关形式电源(SMPS)。

更高功率密度,更少热量?

从上述讨论所波及的观念来看,很显著,将来仍将面对一些艰难的设想挑战。只要经由过程提高功率转换的效率,能力支持所需的输出功率,而且有助于在雷同的空间内提供更高功率。而实现这一高转换效率的要害在于,将氮化镓(GaN)宽带隙半导体技术与尖真个表面贴装器件(SMD)封装完好地联合。

取通孔器件(THD)分歧,表里揭装器件间接装置在PCB名义,打消了通孔和引线,并可以在异样空间内真现更多功能,使电路板上有更多可用空间,因此可以进步功率稀量。

然而,提高功率密度多是一把单刃剑,因为高功率密度每每带来响应的高热密度。只有在热密度坚持未便或尽量加小的情况下,经过给定区域提供更高的功率才真挚有意思。SMD封装在这方面拥有隐著劣势,由于它可使封装顶部曲接与由铝等材料造成的中壳打仗来实现热却,这为热量从晶体管结披发到情况空想提供了一条更短的门路。

在表面贴装器件中如果应用传统的硅半导体将无奈实现较低的热密度,即便封装技术获得精益求精,并能够提供更好的导热性,硅半导体器件仍将遭到任务温度的限度,除非半导体资料能够实现更高效的开闭。固然Si MOSFET已到达效率的下限,但碳化硅(SiC)和GaN等新颖宽带隙半导体则能够实现更高的效力。

在SMD封装下,GaN具备某些特定的物理特征,与硅器件相比,GaN能够以更高的频次开关更高的功率,并且存在更低的导通电阻(RDS(on))和更低的开关消耗。由于功率转换器可以在更高频率下工做,电路中所需的磁性分破元件数量大幅削减,因此能够简化电源拓扑架构,从而实现更高的功率密度。另外,GaN固有的高效率意味着在大多半情形下可以降低热密度。

图3:GaN可提供更高的功率密度和更高的转换效率。

图3所示为50%背载前提下3kW 48V电源(PSU)所有可能功率密度和效率组开的帕乏托剖析(Pareto analysis),从中可以看出,与最进步的Si MOSFET处理计划比拟,在功率转换解决方案中使用英飞凌的CoolGaN能够实现更高的效率,更高的功率密度,或二者兼而有之。

因而,很显明,用SMD启拆完成的GaN器件能够完善满意5G网络基础设备的刻薄请求,而且可能使网络运营商即使正在最具挑衅性的利用场所也能够供给5G的强盛功效。



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