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解决5G手机与基地台功耗问题 交大团队全力投入封包追踪技术

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从2019年起,5G开始落地进入商转,各类创新应用也不断浮现,与过去的移动通信相较,5G的应用更为多元,这也让电源管理成为5G时代手机设计的严峻挑战,为协助厂商解决此一问题,近年来交通大学电机工程学系特聘教授兼系主任陈科宏团队全力投入封包追踪(Envelope Tracking;ET)技术,降低5G手机的功耗。

移动通信进展快速,大约每10年就会更替一次标准,而每次更替也都带来全新的进化,3G让行动网络普及,4G是影音传输与在地化服务,这两次的进化不仅让手机功能更强大,电源耗损速度也同步提升,到了5G时代,资料传输量陡然提升10倍,现有的电源管理架构已无法因应5G手机的需求。

交通大学电机工程学系特聘教授兼系主任陈科宏指出,在5G时代中,手机与基地台的功耗都是亟需解决的问题。

陈科宏指出,在3G、4G时代,手机系统中对PA的供电电压值相当稳定,即使出现有限的压差也都由PA自行吸收,因此影响并不大。但5G通讯的平均能量与峰值能量差异可达8~9dB,若都由PA吸收,PA将会产生大量的功耗,因此Envelope Tracking为现在投入5G发展者的必要技术。

Envelope Tracking目前发展的挑战在于半导体制程。现在半导体主流制程是CMOS,然而CMOS的有限带宽限制住其传输速率,难以追踪到封包,因此目前的做法是以线性放大器追踪漏失封包,不过此作法的效率不佳。对此现在趋势是采用氮化镓(GaN)宽能隙材料,其优势在于其导通电阻小、功率密度高、耐热性佳,因此其封包追踪效率可以提升,再加上体积缩小让热能的产生有限,进而减少了散热设计的成本,这些优点都让氮化镓成为现在电源IC的主流趋势,而这也要仰仗晶圆厂提供氮化镓制程产品。

目前包括陈科宏在内的国内外研究团队,都已大力投入氮化镓的Envelope Tracking研究,随著技术的持续突破,整体进展也相当快速,尤其在5G系统问世后,在系统商的推动与商机催化下,陈科宏认为2020年中将会有原型(Protype)出现,产品则会在明年年底问世。

无线供电化解基地台电源问题

除了手机之外,基地台也是5G时代电源管理设计的重点。5G的传输功率是4G的3倍,涵盖范围则仅有1/3,因此5G的基地台整体功耗将会是4G的9倍以上。目前基地台的电源管理已是各电信商建构5G系统的艰难挑战。

由于5G基地的密度高,如果像过去4G时代每处基地台都布建电缆线,施工难度与成本都会过高。陈科宏指出,目前市场的研发方向是以无线供电为主,透过短距离的无线供电方式克服墙壁阻隔,由建筑物内部供电给外部的基地台。陈科宏指出,目前无线供电技术包括Qi与A4WP两种标准,而要采用其中任何一种标准,除了必须克服数十公分墙壁厚度的挑战,还要可满足100W输出功率的需求,目前台湾厂商的技术则仅可达20~30W,离可用性还有一段距离。

除了输出功率之外,无线供电在5G基地台的应用,还必须克服阻抗匹配的问题。基地台的无线供电透过发射与接收两端传输电力,阻抗匹配不佳电力会无法传送出去,此一状况若发生,接收端无法获得电力是小事,蓄积在发射端的电力将会产生高热,元件有可能因此烧毁,导致系统毁损,因此阻抗匹配也成为目前此一领域的研究重点,以动态调整匹配,让电力得以稳定传输。现在动态阻抗匹配的传输协定频率是6.78MHz,对一般讯号来说并不大,但对电力输出来说是极大挑战,而目前的解法也是使用GaN,透过这类宽能隙元件侦测接收与发射两端的封包,让阻抗匹配可以最佳化,进而减少高压元件的使用比例,降低整体系统成本。

在5G时代中,无论是手机或基地台都有庞大商机,当然商机的取得必须靠技术的掌握,陈科宏指出,台湾厂商的技术能力无庸置疑,然而过去台厂的布局较浅,策略时程也偏短,在短时间内无法获利就会撤出市场,此一状况的主因在于台湾以中小企业为主,在资源限制下必须尽早获利,久而久之也就形成台湾的企业文化。不过在5G时代,许多技术与商业模式都要长期培养,短期操作会难以获利,因此他建议即便受限于资源,台湾厂商还是要尽量将布局时间拉长,才能在5G时代中获取最大利益。

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