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在數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)以及 5G 技術(shù)深度普及的當(dāng)下，POE（以太網(wǎng)供電）交換機(jī)作為融合了數(shù)據(jù)傳輸與電力供應(yīng)功能的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、5G 基站邊緣站點(diǎn)等場(chǎng)景，正面臨著巨大的性能挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)硅基器件在效率、散熱和體積方面的固有缺陷，嚴(yán)重制約了 POE 交換機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。而 GaN HEMT 這一新興技術(shù)，憑借其獨(dú)特的材料特性，為 POE 交換機(jī)帶來了全新的發(fā)展契機(jī)。本文將深入探討 GaN HEMT 在 POE 交換機(jī)中的應(yīng)用及其顯著優(yōu)勢(shì)。

隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)電力需求的不斷增加，POE 交換機(jī)的功耗問題愈發(fā)凸顯。以工業(yè)級(jí)48口交換機(jī)為例，部分端口為90W（802.3bt），其余為30W，總功率可達(dá) ‌2000W。傳統(tǒng)硅基功率器件，如 Si MOSFET，在 POE 應(yīng)用中暴露出諸多弊端。

表1：不同POE標(biāo)準(zhǔn)的功率對(duì)比

（一）效率低下

硅材料的電子遷移率較低，在高頻工作時(shí)，開關(guān)損耗較大。以常見的 POE 供電場(chǎng)景為例，硅基器件的能效通常難以突破 92%，這意味著大量的電能在轉(zhuǎn)換過程中被浪費(fèi)，不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還不符合當(dāng)下綠色節(jié)能的發(fā)展理念。

表2：不同應(yīng)用場(chǎng)景下的POE交換機(jī)功率

（二）散熱難題

在高功率 POE 交換機(jī)中，硅基器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。為保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，不得不配備復(fù)雜且昂貴的散熱系統(tǒng)，這不僅增加了設(shè)備的成本和體積，還可能出現(xiàn)散熱不足導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至故障的情況。

（三）體積受限

為滿足 POE 交換機(jī)多端口、高功率的供電需求，硅基器件往往需要采用堆疊設(shè)計(jì)，這使得交換機(jī)的體積不斷增大，在空間有限的安裝環(huán)境中，如企業(yè)弱電間、5G 小型基站等，部署難度顯著增加。

GaN HEMT 作為第三代半導(dǎo)體材料的杰出代表，其特性完美契合 POE 交換機(jī)的發(fā)展需求。

（一）超高電子遷移率

GaN 的電子遷移率是硅的 10 倍之多，這一特性使其能夠在更高頻率下工作，功率GaN器件最高可達(dá)2MHz 以上。在 POE 交換機(jī)的供電模塊中，更高的頻率意味著更小的模塊體積和更高效的電力轉(zhuǎn)換，這一優(yōu)勢(shì)尤為明顯，能夠大大提高電力轉(zhuǎn)換效率，減少能源浪費(fèi)。

（二）耐高溫及高壓

GaN HEMT 的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的 5 倍，工作溫度范圍可達(dá) -55°C 至 +150°C 。以芯干線700V的GaN HEMT為例，擊穿電壓可達(dá)900V以上，在 POE 應(yīng)用中，這意味著它可以承受更高的電壓，減少因電壓波動(dòng)導(dǎo)致的設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在高溫環(huán)境下也能穩(wěn)定運(yùn)行，無需過于復(fù)雜的散熱措施。

PS：芯干線X3G6515A5/X3G6516B5/X3G6522A5/X3G6515B8等產(chǎn)品，均滿足POE交換機(jī)GaN HEMT功率器件的使用。

 圖1：芯干線GaN HEMT產(chǎn)品

（一）電源模塊效率大幅提升

將 GaN HEMT 應(yīng)用于 POE 交換機(jī)的電源模塊，如 220VAC 轉(zhuǎn) 48VDC 的轉(zhuǎn)換過程，可將轉(zhuǎn)換效率從傳統(tǒng)硅基器件的 92% 提升至 97%。以中等規(guī)模的企業(yè)級(jí) POE 交換機(jī)為例，使用兩臺(tái)48口的POE交換機(jī)，每年可節(jié)省電量超過 1100 度，長(zhǎng)期來看，能為企業(yè)節(jié)省可觀的電費(fèi)支出。

（二）支持高功率 POE++ 供電

隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)功率需求的增加，POE++（90W 以上）供電標(biāo)準(zhǔn)逐漸普及。GaN HEMT 憑借其高頻率特性，能夠輕松支持 POE++，為更多高功率設(shè)備，如高清攝像頭、大功率無線接入點(diǎn)等提供穩(wěn)定電力，拓展了 POE 交換機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。

（三）助力交換機(jī)緊湊化設(shè)計(jì)

GaN HEMT 器件體積相比硅基器件縮小 70%，這使得 POE 交換機(jī)的 PCB 集成度大幅提升。更緊湊的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了安裝空間，還降低了設(shè)備重量，便于在各種復(fù)雜環(huán)境中部署，同時(shí)也符合設(shè)備小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

（一）企業(yè)級(jí) POE 交換機(jī)

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，需要 POE 交換機(jī)支持靈活組網(wǎng)，如多分支互聯(lián)、VLAN 劃分等功能，同時(shí)對(duì)安全性要求極高，需集成防火墻、支持 MACsec、IPsec 等安全協(xié)議硬加速。此外，企業(yè)通常需要通過 POE 為大量的 AP、攝像頭、IP 電話等設(shè)備供電，對(duì)端口密度和供電功率有較高要求，并且希望設(shè)備易于維護(hù)、成本可控。

GaN HEMT 的高效供電能力為企業(yè)級(jí) POE 交換機(jī)集成更多安全模塊提供了可能，增強(qiáng)了設(shè)備的安全性。其提升的電源模塊效率，不僅支持多端口高功率 POE++ 供電，還減少了設(shè)備發(fā)熱量，降低了散熱成本。同時(shí)，GaN 的高可靠性可降低設(shè)備故障率，減少運(yùn)維成本，滿足企業(yè)對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

思科 Catalyst 9000X 系列采用 GaN 電源模塊后，厚度減少 40%，支持 90W 的 POE++ 高效供電，在滿足企業(yè)高密度端口供電需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的輕薄化設(shè)計(jì)，提高了空間利用率，成為企業(yè)級(jí) POE 交換機(jī)應(yīng)用的成功范例。

（二）5G 基站與邊緣站點(diǎn) POE 交換機(jī)

5G 基站和邊緣站點(diǎn)對(duì) POE 交換機(jī)的要求獨(dú)特。一方面，需要支持毫米波頻段（24 - 100GHz）的高頻通信，并且具備強(qiáng)大的抗干擾能力；另一方面，由于安裝空間狹小，環(huán)境惡劣，要求設(shè)備小型化、耐高溫、耐濕度，同時(shí)要降低能耗，支持 PoE 等高效供電方案，以減輕運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本壓力。

在射頻領(lǐng)域GaN HEMT 的高頻特性與毫米波通信天然適配，其耐高壓、抗輻射能力強(qiáng)，非常適合處理基站前傳和回傳的高頻信號(hào)。體積小、無需復(fù)雜散熱系統(tǒng)以及寬泛的工作溫度范圍，使其能夠輕松適應(yīng) 5G 基站和邊緣站點(diǎn)的惡劣環(huán)境。在供電方面，GaN HEMT 的高效率 DC - DC 轉(zhuǎn)換可優(yōu)化電源模塊，支持更高功率的 POE++，為基站周邊的攝像頭、IoT 設(shè)備等提供充足電力。

華為 “PowerStar 2.0” 方案搭載 GaN 器件，使基站能效提升 20%，有效降低了運(yùn)營(yíng)成本。隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展，GaN HEMT 在 5G 基站與邊緣站點(diǎn) POE 交換機(jī)中的應(yīng)用將越來越廣泛，成為推動(dòng) 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

據(jù)了解，臺(tái)灣某科技公司搶占先機(jī)，率先推出 GaN HEMT POE 交換機(jī)，投入市場(chǎng)后，在大型數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域成功得以應(yīng)用 。

圖2：DATA CENTER SWITCHES

目前，在中游設(shè)備商方面，華為、新華三已推出支持 GaN 的交換機(jī)原型，戴爾、Arista 2024 年量產(chǎn) GaN 數(shù)據(jù)中心交換機(jī)，其中也包括 POE 功能的交換機(jī)產(chǎn)品。

表三：廠商布局與產(chǎn)品示例

盡管 GaN HEMT 在 POE 交換機(jī)領(lǐng)域前景廣闊，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。

首先，成本問題是制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素，8 英寸 GaN 晶圓價(jià)格是硅的 4 倍。不過，隨著臺(tái)積電等廠商的產(chǎn)能擴(kuò)張，成本正以年均 15% 的幅度下降。

其次，早期 GaN HEMT 產(chǎn)品存在動(dòng)態(tài)電阻退化問題，影響了設(shè)備的可靠性。但新型 p - GaN 柵極技術(shù)的出現(xiàn)，使器件壽命突破 100 萬小時(shí)，大大提高了可靠性，其中芯干線的GaN HEMT產(chǎn)品，已通過工業(yè)級(jí)可靠性測(cè)試，確保了 GaN HEMT 在POE交換機(jī)供電應(yīng)用場(chǎng)景中能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，并有多個(gè)規(guī)格供客戶選擇。

圖3：芯干線GaN HEMT X3G6515A5已通過工業(yè)級(jí)可靠性測(cè)試

最后，設(shè)計(jì)生態(tài)方面還不夠完善，工具鏈、散熱方案等需要全行業(yè)協(xié)同發(fā)展。中國(guó)《十四五第三代半導(dǎo)體規(guī)劃》已將相關(guān)技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展方向，有望推動(dòng) GaN HEMT 在 POE 交換機(jī)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

隨著技術(shù)持續(xù)革新和市場(chǎng)需求的動(dòng)態(tài)演變，Wi-Fi 7正逐步走向普及，單AP功耗攀升至40W+，對(duì)商用交換機(jī)提出了支持802.3at/bt標(biāo)準(zhǔn)的明確要求。與此同時(shí)，綠色節(jié)能成為新的發(fā)展方向：

一方面，無風(fēng)扇設(shè)計(jì)與低功率機(jī)型成為主流選擇，有效降低能耗；

另一方面，靜音散熱技術(shù)的應(yīng)用，使得設(shè)備運(yùn)行時(shí)更加安靜、穩(wěn)定。

這些特性讓交換機(jī)能夠廣泛適用于零售、醫(yī)療、工廠、商場(chǎng)以及大戶型家庭等多元化場(chǎng)景，完美契合不同場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)部署與使用需求 。

GaN HEMT 的發(fā)展不僅是半導(dǎo)體技術(shù)的革新，更是 POE 交換機(jī)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。隨著成本的降低、可靠性的提高以及設(shè)計(jì)生態(tài)的完善，它有望徹底改變 POE 交換機(jī)的格局，為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。