文章目录[隐藏]
5G支持大量的数据，大大降低了延迟，并提供越来越多的带宽覆盖，以支持物联网变得更加庞大。
5G是最新一代的网络，准备为物联网提供动力。运行5G的网络将比现有的4G网络快20倍，使视频下载速度快10倍。高性能功率半导体，如氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和砷化镓（GaAs）在5G射频（RF）解决方案、无线电力传输（WPT）和基站电源中发挥着关键作用。为了满足电源要求，OEM厂商特别转向了氮化镓。基于GaN的电源系统可以提供一个很好的选择，以支持数据传输和能源效率要求的严格要求。
5G的覆盖范围有多大，取决于许多因素，包括周围的环境。5G信号可能会被墙壁、水塔和其他射频传播的障碍物打断。由宽带隙半导体、物联网和无线充电支持的技术成熟，将共同为5G基础设施创造更多的技术创新。
氮化镓技术
与硅相比，GaN的主要优势是其更高的功率密度。这是由于传导带和价带之间的间隙高于LDMOS技术，从而提供更高的击穿电压。高功率密度使信号可以被传输到很远的地方，扩大了基站的覆盖范围。它还能实现更小的外形尺寸，在PCB上需要更少的空间。因此，设计者可以在更小的空间内拥有更多的功率，从而降低成本。
高密度的特性使5G中使用的功率放大器（PA）能够在高温下工作，从而减少散热片的使用。氮化镓的效率最大限度地降低了网络功耗，同时减少了耗电的大规模MIMO系统所需的能量。这种效率的提高–再加上能够实现高达100GHz的工作频率、低寄生电容（与LDMOS相比）以及在负载和输出功率方面的可扩展性–为GaN器件提供了与宽带系统的天然匹配。
5G和电源管理
为了满足更低的功耗、更小的外形尺寸和更好的热管理性能的需求，基于砷化镓、氮化镓和碳化硅技术的射频功率放大器在4G时代的到来中开始引领潮流。氮化镓因其更好的功率性能而有望成为市场的主流。氮化镓继续争夺市场份额，通过弥补与其他更古老的硅基技术之间的差距，解决了市场需要的许多技术挑战。
基于磁共振的WPT技术，如AirFuel1，近年来凭借其高工作频率（6.78MHz）和提供位置灵活性、大分离距离和多设备充电能力的优势而兴起。无线技术是众所周知的，但发射器的设计、其位置、效率最大化的可能性以及验证整个系统的行为代表了复杂的挑战，需要使用复杂的工程解决方案。
5G网络的出现将看到大带宽的毫米波频率的使用。在固定无线接入（FWA）应用中，外部网络单元需要从内部电源线和适配器中获得电源。取代有线解决方案，WPT系统可用于外部网络单元的电力传输，也可用于5G微型基站和物联网设备，如IP摄像机和光网络终端（光纤到户）：
传统的WPT系统包括一个带有PA的恒流射频源和线圈，作为具有特定特性的发射器（Tx）和接收器（Rx）。在接收端，一个全桥整流器将耦合的射频功率转换为直流信号。氮化镓技术器件为功率放大器提供了一个解决方案，它可以在非常宽的阻抗范围内提供超过80%的端到端效率，与有线系统相当。
耦合线圈必须通过提供高耦合系数（Q）进行优化。发射器线圈的Q值应足够大，以实现高的相互耦合系数，将更多的功率传输到墙的另一边。根据GaN系统公司团队的计算，200×200毫米的典型尺寸足以在250毫米的距离上传输功率。GaN系统公司的工程师使用了EF2类放大器拓扑结构和T型加PI型阻抗匹配的组合。
如图2所示，用于该应用的200×200毫米Tx线圈有五个匝数，轨道宽度为4毫米，均匀间距为3毫米，以平衡热性能。该应用的Tx和Rx线圈是相同的尺寸。
线圈的优劣值（FOM；表示为U）进行分析，它是由耦合系数k和线圈质量值乘积的平方根（√[Q1×Q2]）定义的。在这种情况下，Q1 = Q2。在200毫米间隙的情况下，当U为14时，线圈对线圈的效率超过87%，优化的Tx和Rx阻抗都约为30Ω。效率是用这个公式计算的，如图3所示。
技术正在发生很大的变化。在市场上，GaN器件正在取代LDMOS器件，特别是在5G电信基站、雷达和航空电子设备，以及其他宽带应用中。通过专用射频传输的无线功率传输在物联网应用中越来越受欢迎。波束成形是WPT技术的圣杯，因为它可以将更高的信号质量传递给接收器，而不需要增加传输功率。在此之前，高频谐振技术将提供目标用户体验。
作者：毛里奇奥-迪保罗-埃米利奥
毛里奇奥曾在引力波的研究领域和太空研究项目中担任设计工程师。他有时会想，上面是否有人一直在给我们发送我们没有收到或能够解密的信息。毛里奇奥是一名电子工程师，拥有物理学博士学位。毛里奇奥喜欢写作和讲述有关技术和电子的故事。他的主要兴趣是电力、汽车、物联网、数字。Maurizio目前是《电力电子新闻》的主编和《EE时报》的欧洲通讯员。他还负责监督EEWeb.com上的讨论。他撰写了各种技术和科学文章，并为Springer撰写了几本关于能量收集和数据采集与控制系统的书籍。
来源：powerelectronicsnews
