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5G基地台電源方案 仰賴新材料及新技術

羅姆半導體台灣技術中心資深工程師丁宇佑。

全球各國5G陸續開台,相較於前面世代的通訊標準,5G的網速傳輸速度更快,且延遲更低、連結更廣,5G帶來的不僅是更強大的行動通訊功能,更將促成智慧城市各項應用。5G好處很多,然而基地台的電源方案需要有新作法,氮化鎵(GaN)被寄予厚望。

5G的核心組網和4G完全不同,因此需要重建或新建5G基地台,在此過程中,改變的不僅僅是天線、BBU設備和RRU設備,電源換新也是很重要的一步。一般認為,氮化鎵元件具有高頻、高功率、寬頻寬、低導通等特性,且對電磁輻射敏感度較低,可在高溫、高電壓環境下運作,為理想的微波頻率功率放大元件,應用包括變頻器、變壓器與無線充電。

在600~1,000伏特的電壓區間,GaN在電源管理、發電和功率輸出方面具有明顯優勢。在中低壓設計上,體積小、低發熱、高瓦數的特性,讓氮化鎵GaN也適合應用在5G系統電源設計上。隨著5G對電源高密度的需求,氮化鎵材料的電源產品可更為輕薄、高效率,這正可以滿足5G基地站小型化需求。氮化鎵應用前景受到看好,市場研究公司Yole預估,2024年氮化鎵電源市場產值將超過3.5億美元,約新台幣105億元。

氮化鎵元件,有助基地台小型化

ROHM在通訊與類比IC兩大領域深耕多年,對於5G基地台的電源需求早有解決方案。羅姆半導體台灣技術中心資深工程師丁宇佑說明,採用氮化鎵驅動器(GaN Driver)的電源解決方案,將有助於基地台的小型化。比較氮化鎵和矽基元件在高電壓功率元件的應用上,後者由於切換損過大,因此會造成電能大量損耗,相較於此,氮化鎵切換損遠小於矽基材料,切換損失降低,因此擁有高頻、高壓特性,更有助於能源轉換效率佳的氮化鎵,成為5G基地站電源的適用材料。

具體而言,以GaN材料製作的功率元件,可以大幅拉高切換速度,進而讓電源工程師能在電源設備中採用體積更小的電容、磁性元件等,功率密度提高的同時,還能降低損耗,因此,ROHM認為氮化鎵為5G基地台放大器的首選。

Nano Cap技術,減少電容用量

此外,ROHM推出的「Nano Cap」電源技術,則能大幅降低電源電路的電容容量。近年來,隨著節能意識不斷提高,各種應用的電子化加速發展,使電子元件的使用數量逐年增加。另一方面,為使電子電路更加穩定而使用的電容,數量大幅攀升,因此希望能減少電容數量的需求日益明顯。

Nano Cap融合了ROHM的電路設計、電路佈線、製程等三大類比技術的優勢,可以減少電容的使用,以線性穩壓器為例,輸出端不再需要電容,僅用一顆100nF的電容即可穩定運作,因此可大幅減輕電路設計負擔。無電容的「Nano Cap」技術可廣泛用於其他類比IC元件,有助減少5G基地站電源方案的電容用量並降低設計複雜度。

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