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5G基地台电源方案 仰赖新材料及新技术

罗姆半导体台湾技术中心资深工程师丁宇佑。

全球各国5G陆续开台,相较于前面世代的通讯标准,5G的网速传输速度更快,且延迟更低、连结更广,5G带来的不仅是更强大的移动通信功能,更将促成智慧城市各项应用。5G好处很多,然而基地台的电源方案需要有新作法,氮化镓(GaN)被寄予厚望。

5G的核心组网和4G完全不同,因此需要重建或新建5G基地台,在此过程中,改变的不仅仅是天线、BBU设备和RRU设备,电源换新也是很重要的一步。一般认为,氮化镓元件具有高频、高功率、宽带宽、低导通等特性,且对电磁辐射敏感度较低,可在高温、高电压环境下运行,为理想的微波频率功率放大元件,应用包括变频器、变压器与无线充电。

在600~1,000伏特的电压区间,GaN在电源管理、发电和功率输出方面具有明显优势。在中低压设计上,体积小、低发热、高瓦数的特性,让氮化镓GaN也适合应用在5G系统电源设计上。随著5G对电源高密度的需求,氮化镓材料的电源产品可更为轻薄、高效率,这正可以满足5G基地站小型化需求。氮化镓应用前景受到看好,市场研究公司Yole预估,2024年氮化镓电源市场产值将超过3.5亿美元,约新台币105亿元。

氮化镓元件,有助基地台小型化

ROHM在通讯与类比IC两大领域深耕多年,对于5G基地台的电源需求早有解决方案。罗姆半导体台湾技术中心资深工程师丁宇佑说明,采用氮化镓驱动器(GaN Driver)的电源解决方案,将有助于基地台的小型化。比较氮化镓和矽基元件在高电压功率元件的应用上,后者由于切换损过大,因此会造成电能大量损耗,相较于此,氮化镓切换损远小于矽基材料,切换损失降低,因此拥有高频、高压特性,更有助于能源转换效率佳的氮化镓,成为5G基地站电源的适用材料。

具体而言,以GaN材料制作的功率元件,可以大幅拉高切换速度,进而让电源工程师能在电源设备中采用体积更小的电容、磁性元件等,功率密度提高的同时,还能降低损耗,因此,ROHM认为氮化镓为5G基地台放大器的首选。

Nano Cap技术,减少电容用量

此外,ROHM推出的「Nano Cap」电源技术,则能大幅降低电源电路的电容容量。近年来,随著节能意识不断提高,各种应用的电子化加速发展,使电子元件的使用数量逐年增加。另一方面,为使电子电路更加稳定而使用的电容,数量大幅攀升,因此希望能减少电容数量的需求日益明显。

Nano Cap融合了ROHM的电路设计、电路布线、制程等三大类比技术的优势,可以减少电容的使用,以线性稳压器为例,输出端不再需要电容,仅用一颗100nF的电容即可稳定运行,因此可大幅减轻电路设计负担。无电容的「Nano Cap」技术可广泛用于其它类比IC元件,有助减少5G基地站电源方案的电容用量并降低设计复杂度。

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