電源晶片尺寸更小/效率更高　通訊電源功率密度攀升

圖1 Vicor台灣分公司應用工程師張仁程表示，因應Small Cell建置趨勢，未來電源元件將更加微小化，且須保持高效、節能。

4G網路布建的蓬勃，以及後4G和5G技術的加速演進，使得電信設備電源供應器朝小型化、高功率密度及高轉換效率發展，電源供應器製造商必需即時且有效地在高度競爭的市場中，滿足使用者各式各樣的需求，此外更要兼顧獲利，進而引發電源元件之設計不斷求新求變。

可靠的網路服務須仰賴穩定的電源供應，這和電信設備的電源供應器設計息息相關。現今電信設備電源供應器正不斷朝向提高功率密度和轉換效率兩大方向發展，因此相關供應商無不加緊腳步跟隨電信設備電源系統的發展脈動，致力縮小晶片尺寸和推出數位電源晶片；晶片尺寸縮小可減少電路板占位空間，並有助於提高電源供應器功率密度。

功率要求續增　輕薄短小高效設計掛帥

Vicor台灣分公司應用工程師張仁程(圖1)表示，傳輸流量

圖2 英飛凌電源管理及多元電子事業處資深經理陳清源指出，電源功率元件將持續朝輕薄、短小、高效的方向發展。

遽增，使許多原有的基地台無法負荷過大的流量，已不敷使用；而業者如果重新建構一個新的基地台，將面臨土地取得不易及空間有限等問題，因此，目前通訊基地台之建置，已慢慢轉為小型化，建置小型基地台(Small Cell)趨勢開始浮現，且未來成長比例將越來越高，進而帶動電源元件小型化的需求。因應此一趨勢，未來電源元件要求將更加嚴格，像是散熱電容、突波保護等，都要做到微小化，同時保持高效、節能。

英飛凌(Infineon)電源管理及多元電子事業處資深經理陳清源(圖2)也指出，從應用面來看，輕薄、短小及高效率一直是眾家業者發展的目標，這趨勢一直都沒改變。陳清源進一步透露，從2015年之後，96%∼97%效率的元件使用率逐漸增高，其原因在於降低維護成本；電源供應器製造商開始使用較高效率電源元件，增加耐用度，以提升產品壽命。

圖3 英飛凌電源管理及多元電子事業處行銷經理林志哲說明，為降低維修成本，電源功率元件之耐用度也是客戶選購時的重要考量因素。

英飛凌電源管理及多元電子事業處行銷經理林志哲(圖3)進一步解釋，除效能之外，通訊電源元件之耐用度也是客戶選擇時的重要考量。因有的通訊基站所在環境可能非常惡劣，因此客戶在選用元件時，會考慮到維修成本。

換言之，與其多次派遣人力進行維修，還不如當初在建置時直接採用品質、效能較高的元件，以減少未來人力維修成本。因此，目前96%∼97%效率等級的電源元件，雖然價格較高，但使用率卻慢慢增加。

數位化電源管理助力　電源系統效能大增

除致力於發展更加輕薄短小、效能及可靠性更高的電源元件之外，通訊電源系統亦全面走向數位化設計。凌力爾特(Linear Technology)電源產品部產品行銷總監Tony Armstrong(圖4)認為，數位電源系統管理將成為電信系統的主流，其特性及優勢不容忽視。

圖4 凌力爾特電源產品部產品行銷總監Tony Armstrong認為，數位電源系統將成為電訊系統的主流。

Armstrong指出，數位電源系統管理的一個主要好處是降低設計成本，並加快產品上市。複雜的多軌系統可以利用一個綜合性和具備直覺式圖形化使用者介面(GUI)的開發環境來高效率地進行開發。這類系統可透過GUI，而不是焊接到「白色導線」定位點來進行更改，因此還能簡化線上測試(ICT)和電路板除錯。

另一個好處是，由於可以使用即時遙測資料，所以有可能預測電源系統故障並採取預防性措施。如果DC/DC轉換器擁有數位電源管理功能，就可為系統設計者開發「綠色」電源系統提供必要的工具，使這些電源系統能夠在負載點、電路板、機架級甚至安裝後，以最低能耗滿足目標性能要求(計算速率、數據傳輸速率等)。如此可降低基礎設施成本以及產品壽命期內的總體擁有成本。

此外，大多數電信系統透過48V背板供電，這個電壓通常被降至更低的中間總線電壓，一般為12V，然後再進一步降至3.3V，為系統中一架一架的電路板供電。

不過，這些電路板上的大多數子電路或IC需要以不到1V∼3V的電壓及數十毫安至數百安培的電流工作。其結果是，負載點(PoL)DC/DC轉換器有必要將這一中間總線電壓降至子電路或是IC所要求的電壓。

然而，使問題更加複雜的是，這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度調節以及監察有嚴格要求。既然在數據通信、電信或儲存系統中可能有超過五十個POL電壓軌，那麼系統設計者就需要一種簡單的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序及可允許的最大電流。某些處理器要求其輸入/輸出(I/O)電壓在核心電壓之前上升，而某些DSP則要求其內核電壓在I/O電壓之前上升。使問題更加複雜的是，斷電排序也是必要的。因此，設計者需要一種簡單的方法來更改系統，以針對每一個DC/DC轉換器優化系統性能和存儲特定配置值，進而從總體上簡化設計工作。

為了針對可能出現的過壓情況並保護昂貴的FPGA，高速比較器必須監視每個軌的電壓值，而且在某個軌超出其規定的安全工作限度時立即採取保護行動。在數位電源系統中，如果發生故障，可以透過PMBus報警線路通知主機，而且可以關斷從屬軌，以保護FPGA等接受供電的元件，而實現這種級別的保護需要合理的準確度和數十微秒量級的響應時間。

基於這些原因，數位電源轉換IC需要提供高度準確的數位電源系統管理，以及高解析度可編程性和快速遙測回讀，以即時控制和監視關鍵負載點轉換器功能。這些IC必須透過基於I2C的PMBus介面、以超過一百條命令提供高效率同步降壓型轉換，還必須有內建EEPROM。

這些元件必須兼具一流的類比開關穩壓器控制器和精準的混合訊號數據轉換功能，以實現簡便的電源系統設計和管理。最後，還有一個迫切解決的問題，必須具備易用的圖形使用者介面之軟體開發系統，以支援這些元件。

圖5 快捷半導體雲端電源解決方案總經理Tom Truman表示，數位化方案可讓電源管理順應不斷變化的工作負載。

快捷(Fairchild)半導體雲端電源解決方案總經理Tom Truman(圖5)也認為數位解決方案大有可為。在理想的情況之下，功耗應隨著負載按比例增大及減小，而數位化解決方案可內嵌至電源子系統，能讓電源管理順應不斷變化的工作負載及吞吐量。

Truman進一步透露，通訊電源未來趨勢將轉為眾多基頻設備，以便在標準伺服器上執行虛擬系統，透過光纖連結至遠端無線電接入點。因此，改善無線接入覆蓋是一個長期的發展領域，因為對更高頻寬、更廣覆蓋的要求可說無止境，這將推動基礎設施的升級換代。對於這些系統，電源供應方式將呈現兩種趨勢，首先，基頻電源解決方案轉為伺服器上的傳統解決方案。其次，遠端無線電裝置電源通常採用48V輸入，供應許多這些系統，尤其是小型單體解決方案，計劃轉為大功率乙太網路供電解決方案，透過CAT-5電纜對這些裝置供電。

製程/驗證未成熟　氮化鎵應用再等等

隨著後4G及5G技術的加速發展，促使電信設備電源系統與備用電池性能不斷演進。目前已知有業者已開始採用氮化鎵(GaN)等寬能隙功率半導體，進一步拉高功率密度。

對此，Armstrong表示，GaN FET技術可望能以更低的開關損耗和更低的驅動電源來提供更高的開關頻率操作。它也將因為更低的傳導和開關損耗，以及零反向恢復損耗而達到更高的轉換效率。最後，其將致能更小的接腳占位和更高的功率密度，氮化鎵的未來性可說是備受期待。

陳清源也認為，氮化鎵特性比矽好，當氮化鎵技術成熟、可達到量產規模時，勢必會成為未來的主流。不過，陳清源話鋒一轉提到，氮化鎵若要商品化，可能還需要兩三年的發展時間。原因在於，氮化鎵製程還沒有矽這麼成熟，且特性與矽大不相同，在設計端的驗證也還須一段時間。因此，未來一兩年在主流市場上，可能還無法見到氮化鎵的相關產品。換言之，氮化鎵雖可以較高的頻率，做到相當低的開關損失，並可在高溫運行，減少散熱處理，但要廣為市場採用還需一段時間。

鋰電池漸居主流　安全仍是重要考量

電信業者擴大部署4G長程演進計畫(LTE)基地台，不僅引發電信基礎設備電源供應器提升功率密度的設計挑戰，也牽動其備用電池技術的新變革。其中，電信基礎設施布建成本高昂，電信業者為確保設備穩定運作，並提高投資效益，已開始引進鋰離子電池做為基地台備用電源，解決現今鉛酸電池因壽命較短而引發的網路服務停擺問題，未來鋰離子電池可望躍居基地台備用電源技術主流。

陳清源表示，通訊基站的工作長度相當長，可說是一天24小時都在運作，且有些基站建設在偏遠地區，因此維護會是一個很大的成本。為此，相關業者在架設基站時，為降低人力維護成本，便會考量電池的壽命與大小。鋰電池壽命比鉛酸電池長，其充放電次數大約是鉛酸電池的8～10倍，且體積也相對較小。以基站有限的空間來看，雖然價格較高，但僅約兩年就可回本，同時，由於其體積較小，還可減少基礎設備之架設空間；因此，鋰電池已成目前新建基站之主要電池元件。

圖6 施耐德資訊科技事業部資訊系統規劃顧問黃仁凱指出，鋰電池雖具多樣好處，但其安全性及穩定性仍是目前須努力克服之挑戰。

使用鋰電池不難，但如何維持鋰電池的安全性和穩定性，才是重點挑戰。「鋰電池活性較強，相對危險度也較高。」施耐德(Schneider)資訊科技事業部資訊系統規劃顧問黃仁凱(圖6)指出，鉛酸電池之所以還是普遍使用，因為其在業界使用已有很長的時間，並沒發生重大問題；但反觀鋰電池，其應用在消費性產品，如手機、筆記型電腦、平板、機車及汽車等，皆發生過事故。因此，鋰電池目前最大的考量便是安全性。

那麼，究竟該如何維持鋰電池的穩定，確保其安全性？據悉，鋰電池模組當中有個電池管理系統(BMS)，其方式為製作一個切換的開關，以達成何時要將電池串打開或關閉，其功能類似於繼電器，並能同時監控每個鋰電池的充放電及回報等。

陳清源指出，此一電池管理系統的功率元件選擇，將會是維持鋰電池穩定的重點。若元件的導通電阻越高，其損耗就越高，相對就容易使電池元件產生熱，進而減少壽命。因此，導通好壞是目前電池管理系統控制板重要考量之一，選擇電阻低、散熱好的材料將可有效延長電池壽命，提升穩定性。

門檻低/競爭激烈　產品生命週期縮短

通訊服務應用日新月異，從過往的單純通話，到現在文字、照片、影片甚至因應物聯網發展而產生的各種雲端創新服務，在在增加了通訊傳輸的需求量。

電信商欲藉由增加並行傳輸密度、提高資料壓縮率等改善方案以提升網路資料傳輸率，使得電信設備電源供應器朝小型化、高功率密度及高轉換效率發展，進一步引發電源供應器的設計競爭，陳清源指出，為提供更好的電源效率及降低成本，電源市場的競爭也愈加激烈。大概3∼4年廠商便會推出一個新世代的產品，提供客戶更好的性能，且具備更低價格，以維持市場競爭力。其中，低壓電源功率元件市場，競爭更加熾熱，產品生命週期更短，大約2∼4年便要推出新世代的產品。其原因主要在於中低壓電源元件技術門檻較低，使得各家業者進入較容易，造成一個百家爭鳴的狀態，對市場的波動也較大。因此，為維持市場地位和競爭力，便須不斷推出新產品、更新技術吸引消費者。

綜上所述，即便目前4G網路大多已建置完成，5G發展尚未有個明確的時程表，整體通訊電源市場看似穩定，但實則競爭激烈、暗潮洶湧。為提供客戶效能更佳、成本更低的功率元件，電源供應商盡展拳腳，只願在市場獲得更大利潤。