目前，移动通信领域正在发生巨大的变化:第五代蜂窝网络技术(也称为5G)服务正在陆续推出。目前，消费者已经开始体验5G技术的优势。它不仅可以以其超快的下载速度匹配固网宽带，还可以在未来支持蜂窝网络服务区域中更高密度的移动设备和互联物联网(IoT)设备。

一方面，这一发展正在为消费者带来令人兴奋的好处，但在幕后，行业向5G的过渡也充满了挑战、高成本和其他争议。比如无线电频谱许可证的分配[1]，使用5G时沟通不畅引起的对用户健康风险的恐慌[2]等等，国际贸易竞争对手对网络安全及其后果的担忧[3]也在困扰着向5G的迁移进程。

毫无疑问，5G将是蜂窝网络和其他运营商的一项有利可图的业务，但它也需要大量的前期投资来升级、改善和替换现有的蜂窝网络基础设施。不仅网络维护的前期成本可能会让网络运营商彻夜难眠，而且持续的运营费用也是如此。5G网络会比4G耗电，这是不可回避的事实。事实上，根据预测，5G的功耗将增加近70%(见图1)。例如，4G基站可能需要大约7kW的功率，而5G基站将需要超过11kW的功率。如果基站需要承载多个信道，其功耗甚至可能高达20kW。

图1:典型5G通信基站功耗(来源:华为)。

所有要求都在改善

虽然5G网络通常比第四代通信技术更高效，但由于容量的增加，每个小区的整体功耗将大大增加。其原因是在每个无线电信道上使用大规模多输入多输出(Massive MIMO)天线来提高信号质量。相比4T4R(4发4收)，5G基站用的是64T64R。

所以可以很清楚的看到为什么5G对电量的需求这么高。一些5G网络提供商在组建网络和提供服务时，对MIMO是苦不堪言的，甚至讨论是否可以将基站的收发机数量减少到32T32R以节省电量，但这将极大地限制网络容量。

除了增加现有基站的功率需求，另一个使问题复杂化的挑战是需要比以前更多的基站。部分原因是5G技术独特的无线电波长更加有限，这意味着需要更高密度的基站来为特定区域提供有效覆盖。建造这些新基站和安装支持它们的电网的成本也将非常高。

最后是供电的问题。即使只增加一倍所需的总功率，行业标准的3kW 48VDC电源也会严重不足。因此，需要在与现有设备大致相当的空范围内显著增加功率密度，以提供所需的更高功率。

转向边缘网络

随着越来越多的处理能力转移到数据收集实际发生的边缘网络，5G通信将在网络地图上发生重大变化(见图2)。不仅需要额外的硬件来实施5G技术，而且每个基站本身也需要更多的计算能力来支持新一代移动宽带提供的更广泛的服务。随着运营商开始部署边缘计算，每个基站的电源架构也需要仔细考虑。

图2:2:5G生态系统中的开关电源(SMPS)。

更高的功率密度，更少的热量？

从上述讨论中涉及的观点来看，很明显，未来仍会有一些令人生畏的设计挑战。只有提高功率转换效率，才能支持所需的输入功率，有助于在相同空区间内提供更高的功率。实现这种高转换效率的关键在于氮化镓(GaN)宽带隙半导体技术和尖端表面贴装器件(SMD)封装的完美结合。

与通孔器件(THD)不同，表贴器件直接安装在PCB表面，省去了通孔和引线，可以在同一个空空间内实现更多的功能，使电路板上有更多的可用空空间，从而提高功率密度。

然而，提高功率密度可能是一把双刃剑，因为高功率密度通常会带来相应的高热密度。只有在热密度保持不方便或者尽可能降低的情况下，通过给定的面积提供更高的功率才是真正有意义的。SMD封装在这方面具有明显的优势，因为它可以使封装的顶部直接与铝等材料的外壳接触实现散热，为热量从晶体管结散发到环境空气体提供了更短的路径。

如果在表面安装器件中使用传统的硅半导体，它将不能实现较低的热密度。即使封装技术不断改进，能够提供更好的导热性，硅半导体器件仍然会受到工作温度的限制，除非半导体材料能够实现更高效的开关。尽管Si MOSFET已经达到了效率的上限，但是新的宽带隙半导体如碳化硅(SiC)和GaN可以实现更高的效率。

在SMD封装下，GaN具有一些特定的物理特性。与硅器件相比，GaN可以以更高的频率开关更高的功率，并且具有更低的导通电阻(RDS(on))和更低的开关损耗。由于功率转换器可以工作在更高的频率，电路中所需的磁性分立元件的数量大大减少，因此可以简化电源拓扑，从而实现更高的功率密度。此外，GaN固有的高效率意味着在大多数情况下可以降低热密度。

图3: GaN可以提供更高的功率密度和更高的转换效率。

图3显示了3kW 48V电源(PSU)在50%负载条件下所有可能的功率密度和效率组合的帕累托分析。从中可以看出，在功率转换解决方案中使用英飞凌的CoolGaN，与最先进的Si MOSFET解决方案相比，可以实现更高的效率，更高的功率密度，或者两者兼而有之。

因此，显然，采用SMD封装实现的GaN设备可以完美满足5G网络基础设施的苛刻要求，并使网络运营商即使在最具挑战性的应用中也能提供5G的强大功能。