我們對(duì)GaN認(rèn)識(shí)的幾大誤區(qū)

高功率密度、高效率和更寬的頻率支持使基于 GaN 的解決方案成為適合許多射頻應(yīng)用的優(yōu)良選擇。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都知道，每一種材料都必須權(quán)衡利弊。在探討最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐之前，有必要澄清關(guān)于 GaN 的一些常見(jiàn)誤解。

如本系列前一篇文章中所述，6GHz 以下 5G 基站的功率需求正在推動(dòng) LDMOS 放大器向基于 GaN 的解決方案轉(zhuǎn)變。高功率密度、高效率和更寬的頻率支持使基于 GaN 的解決方案成為適合許多射頻應(yīng)用的優(yōu)良選擇。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都知道，每一種材料都必須權(quán)衡利弊。要想充分利用 GaN 射頻功率放大器的優(yōu)勢(shì)，我們需要對(duì)常規(guī)方法稍微做點(diǎn)調(diào)整，相信最終結(jié)果不會(huì)讓我們失望。

在探討最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐之前，有必要澄清關(guān)于 GaN 的一些常見(jiàn)誤解。

對(duì)GaN認(rèn)識(shí)的幾大誤解

成本

在工程界，人們都認(rèn)為 GaN 成本過(guò)高。從比較狹隘的角度來(lái)看，這沒(méi)錯(cuò)；與純硅或 LDMOS 解決方案相比，目前生產(chǎn) GaN 的成本更高。但是，這種說(shuō)法忽略了可以消減額外系統(tǒng)成本的性能好處。性價(jià)比是關(guān)鍵的評(píng)估指標(biāo)。

根據(jù)需要，GaN 可以降低整個(gè)系統(tǒng)的總成本，因?yàn)榭梢允褂酶〉姆庋b來(lái)滿足功率需求。更小的封裝不僅可以縮小電路板尺寸，降低成本，還可以節(jié)省大量的散熱器成本。多頻段和寬帶 GaN 放大器可取代系統(tǒng)中的多個(gè)獨(dú)立窄帶放大器，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的總成本。

這并不是說(shuō)它完全適合所有應(yīng)用，但從單位成本的性價(jià)比角度來(lái)看，GaN 通?？梢怨?jié)省成本?？倱碛谐杀臼?GaN 可以展示其技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)方面。

此外，GaN 的產(chǎn)量正在大幅增長(zhǎng)。鑒于基站系統(tǒng)中使用的 PA 數(shù)量不斷增加，這在大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用中非常明顯。隨著 GaN 在這些不同子市場(chǎng)（5G 基站是其中一個(gè)規(guī)模較大的子市場(chǎng)）的市場(chǎng)份額開(kāi)始增加，供應(yīng)商可擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，同時(shí)將供應(yīng)鏈成本降至極具競(jìng)爭(zhēng)力的水平。

這意味著，GaN 能夠以更低的成本提供更高的性能，同時(shí)獲得更廣泛的采用，并節(jié)省大量成本。GaN 的價(jià)格在未來(lái)只會(huì)越來(lái)越具競(jìng)爭(zhēng)力。

并非所有 GaN 都一樣

有一種誤解認(rèn)為，所有的 GaN 功率放大器都相似，足以實(shí)現(xiàn)商品化。一直依賴 LDMOS 解決方案的工程師容易做出這樣的假設(shè)。如果從半導(dǎo)體層面來(lái)看不同供應(yīng)商的 LDMOS 器件性能，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們驚人地相似。

但在 GaN 領(lǐng)域卻不盡然。每家供應(yīng)商都采用不同的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì) GaN 量產(chǎn)的挑戰(zhàn)，而這就意味著不同供應(yīng)商的 GaN 器件存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，每家供應(yīng)商的 GaN 器件性能各不相同，并且供應(yīng)商通常會(huì)提供不同的解決方案，以滿足其獨(dú)特的 PA 需求。

嵌入式設(shè)計(jì)人員不應(yīng)該認(rèn)為他們過(guò)去使用 GaN 的經(jīng)驗(yàn)對(duì)所有供應(yīng)商都適用。與供應(yīng)商密切合作可確保充分利用每個(gè)獨(dú)一無(wú)二的 GaN PA。

柵極電流高會(huì)引起故障

嵌入式設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn) GaN PA 的數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)較高的柵極電流，并為此擔(dān)憂。他們認(rèn)為高柵極電流會(huì)導(dǎo)致器件故障。事實(shí)上，高柵極電流并不一定意味著可靠性問(wèn)題。可靠性在很大程度上取決于技術(shù)，這又回到了之前討論的問(wèn)題——并非所有 GaN 都具有相同性能。通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整偏置電路以適應(yīng)更高電流，可顯著提高系統(tǒng)功率效率和功率密度。

最大化GaN性能的設(shè)計(jì)方案

如前一篇文章中所述，GaN 可提高功率密度、效率和頻率靈活性。然而，要想充分利用器件的潛力，嵌入式設(shè)計(jì)人員應(yīng)發(fā)揮材料的優(yōu)勢(shì)。下面我們來(lái)討論一下需要考慮的一些系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐。

線性化設(shè)計(jì)

在使用 GaN 之前，大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題就是線性化。有人認(rèn)為 GaN 很難進(jìn)行線性化。在某些情況下確實(shí)如此，但也可以通過(guò)一些可控方式來(lái)解決其線性化缺陷，從而減少非線性和俘獲效應(yīng)。通過(guò)將器件置于理想應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，或通過(guò)控制 IQ 漂移和跟蹤俘獲效應(yīng)的軟件算法，可以實(shí)現(xiàn)較好的線性。供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展至足以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

雖然還有許多問(wèn)題要解決，但其好處在于可顯著提高功率效率。這一點(diǎn)需要權(quán)衡考慮。根據(jù)需要，某些設(shè)計(jì)人員會(huì)采取這種新方法，而某些設(shè)計(jì)人員則會(huì)轉(zhuǎn)而使用傳統(tǒng)的 LDMOS 解決方案。

盡管仍有機(jī)會(huì)改進(jìn) GaN 的線性度，但漏極-源極電容較低的 GaN 晶體管可更好地響應(yīng)較寬和超寬瞬時(shí)帶寬信號(hào)，從而提高這些信號(hào)的整體系統(tǒng)線性。視頻帶寬應(yīng)用也是 GaN 性能可以超越其它競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的一個(gè)方面。

值得注意的是，線性效率是通信行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。由于數(shù)字處理和器件級(jí)的改進(jìn)，分析人士預(yù)計(jì)GaN線性化將在未來(lái)三到五年內(nèi)得到顯著改善。當(dāng)未來(lái)幾代 GaN 具有市場(chǎng)領(lǐng)先的線性度時(shí)，請(qǐng)不要感到驚訝。

散熱感知能力

GaN 功率放大器可在硅基技術(shù)無(wú)法達(dá)到的溫度下工作，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)內(nèi)的散熱和冷卻要求。然而，如果嵌入式設(shè)計(jì)人員不夠仔細(xì)，尤其是如果使用更少的 GaN PA 縮小系統(tǒng)的外形尺寸，那么更高的熱密度可能會(huì)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。小型系統(tǒng)會(huì)給器件帶來(lái)更大的散熱壓力。

工程團(tuán)隊(duì)往往會(huì)關(guān)注結(jié)溫。GaN PA 可支持很高的結(jié)溫，因而系統(tǒng)的其他部分則會(huì)成為阻礙因素。焊點(diǎn)就是一個(gè)經(jīng)常被忽略的例子。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮這一點(diǎn)。由于 GaN PA 可以在更高溫度下運(yùn)行，工程師最好重新評(píng)估內(nèi)部可靠性要求，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用這一點(diǎn)。

充分利用供應(yīng)商的專業(yè)知識(shí)

供應(yīng)商清楚其產(chǎn)品的理想應(yīng)用條件并不奇怪，但應(yīng)用工程師擁有射頻以外的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)可能會(huì)讓客戶感到震驚。為了盡可能提高效率，GaN PA 需要與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其它器件協(xié)同工作。這就要求圍繞載波和峰值電壓等要素對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。這其實(shí)是 PA 技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，但值得注意的是，GaN 應(yīng)用也存在同樣的權(quán)衡空間。

然而，一些客戶并未充分利用供應(yīng)商的應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)。關(guān)于如何最好地實(shí)施解決方案，向 GaN 器件供應(yīng)商咨詢是值得的。他們清楚以安全的方式充分利用 PA 性能的所有技巧。只需一個(gè)電話，他們就會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里與您一起解決設(shè)計(jì)難題。

編輯：jq