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解決5G手機與基地台功耗問題 交大團隊全力投入封包追蹤技術

  • DIGITIMES企劃

從2019年起,5G開始落地進入商轉,各類創新應用也不斷浮現,與過去的行動通訊相較,5G的應用更為多元,這也讓電源管理成為5G時代手機設計的嚴峻挑戰,為協助廠商解決此一問題,近年來交通大學電機工程學系特聘教授兼系主任陳科宏團隊全力投入封包追蹤(Envelope Tracking;ET)技術,降低5G手機的功耗。

行動通訊進展快速,大約每10年就會更替一次標準,而每次更替也都帶來全新的進化,3G讓行動網路普及,4G是影音傳輸與在地化服務,這兩次的進化不僅讓手機功能更強大,電源耗損速度也同步提升,到了5G時代,資料傳輸量陡然提升10倍,現有的電源管理架構已無法因應5G手機的需求。

交通大學電機工程學系特聘教授兼系主任陳科宏指出,在5G時代中,手機與基地台的功耗都是亟需解決的問題。

陳科宏指出,在3G、4G時代,手機系統中對PA的供電電壓值相當穩定,即使出現有限的壓差也都由PA自行吸收,因此影響並不大。但5G通訊的平均能量與峰值能量差異可達8~9dB,若都由PA吸收,PA將會產生大量的功耗,因此Envelope Tracking為現在投入5G發展者的必要技術。

Envelope Tracking目前發展的挑戰在於半導體製程。現在半導體主流製程是CMOS,然而CMOS的有限頻寬限制住其傳輸速率,難以追蹤到封包,因此目前的做法是以線性放大器追蹤漏失封包,不過此作法的效率不佳。對此現在趨勢是採用氮化鎵(GaN)寬能隙材料,其優勢在於其導通電阻小、功率密度高、耐熱性佳,因此其封包追蹤效率可以提升,再加上體積縮小讓熱能的產生有限,進而減少了散熱設計的成本,這些優點都讓氮化鎵成為現在電源IC的主流趨勢,而這也要仰仗晶圓廠提供氮化鎵製程產品。

目前包括陳科宏在內的國內外研究團隊,都已大力投入氮化鎵的Envelope Tracking研究,隨著技術的持續突破,整體進展也相當快速,尤其在5G系統問世後,在系統商的推動與商機催化下,陳科宏認為2020年中將會有原型(Protype)出現,產品則會在明年年底問世。

無線供電化解基地台電源問題

除了手機之外,基地台也是5G時代電源管理設計的重點。5G的傳輸功率是4G的3倍,涵蓋範圍則僅有1/3,因此5G的基地台整體功耗將會是4G的9倍以上。目前基地台的電源管理已是各電信商建構5G系統的艱難挑戰。

由於5G基地的密度高,如果像過去4G時代每處基地台都佈建電纜線,施工難度與成本都會過高。陳科宏指出,目前市場的研發方向是以無線供電為主,透過短距離的無線供電方式克服牆壁阻隔,由建築物內部供電給外部的基地台。陳科宏指出,目前無線供電技術包括Qi與A4WP兩種標準,而要採用其中任何一種標準,除了必須克服數十公分牆壁厚度的挑戰,還要可滿足100W輸出功率的需求,目前台灣廠商的技術則僅可達20~30W,離可用性還有一段距離。

除了輸出功率之外,無線供電在5G基地台的應用,還必須克服阻抗匹配的問題。基地台的無線供電透過發射與接收兩端傳輸電力,阻抗匹配不佳電力會無法傳送出去,此一狀況若發生,接收端無法獲得電力是小事,蓄積在發射端的電力將會產生高熱,元件有可能因此燒毀,導致系統毀損,因此阻抗匹配也成為目前此一領域的研究重點,以動態調整匹配,讓電力得以穩定傳輸。現在動態阻抗匹配的傳輸協定頻率是6.78MHz,對一般訊號來說並不大,但對電力輸出來說是極大挑戰,而目前的解法也是使用GaN,透過這類寬能隙元件偵測接收與發射兩端的封包,讓阻抗匹配可以最佳化,進而減少高壓元件的使用比例,降低整體系統成本。

在5G時代中,無論是手機或基地台都有龐大商機,當然商機的取得必須靠技術的掌握,陳科宏指出,台灣廠商的技術能力無庸置疑,然而過去台廠的布局較淺,策略時程也偏短,在短時間內無法獲利就會撤出市場,此一狀況的主因在於台灣以中小企業為主,在資源限制下必須盡早獲利,久而久之也就形成台灣的企業文化。不過在5G時代,許多技術與商業模式都要長期培養,短期操作會難以獲利,因此他建議即便受限於資源,台灣廠商還是要盡量將布局時間拉長,才能在5G時代中獲取最大利益。

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