5G 和 GaN：嵌入式設(shè)計(jì)人員需要了解的內(nèi)容

如本系列上一篇文章所述，6GHz 以下 5G 基站的功率需求正在推動(dòng)從 LDMOS 放大器轉(zhuǎn)向基于 GaN 的解決方案。高功率密度、效率和更廣泛的頻率支持使其成為許多射頻應(yīng)用的引人注目的解決方案。正如任何嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都會(huì)告訴您的那樣，每種材料都需要權(quán)衡取舍。要充分利用 GaN 射頻功率放大器的全部優(yōu)勢，通常需要在方法上進(jìn)行小幅轉(zhuǎn)變，結(jié)果非常值得付出努力。

在探索設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐之前，有必要先解決關(guān)于 GaN 的常見誤解。

對 GaN 的誤解

成本

工程界的許多人認(rèn)為 GaN 的成本過高。從狹隘的角度來看是準(zhǔn)確的；如今，GaN 的生產(chǎn)成本高于純硅或 LDMOS 解決方案。但是，這忽略了可以抵消額外系統(tǒng)成本的性能提升。性價(jià)比是評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)需要，GaN 可能會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的總成本，因?yàn)槟軌蛟诟〉姆庋b中滿足功率需求。更小的封裝不僅減少了電路板尺寸和成本，而且還減少了可以大量節(jié)省的散熱器。多頻帶和寬帶 GaN 放大器可以替代系統(tǒng)中的多個(gè)單獨(dú)的窄帶放大器，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)總成本。這并不是說它完全適合每個(gè)應(yīng)用程序，而是從每美元性能的角度來看，GaN 通常轉(zhuǎn)化為節(jié)省?？倱碛谐杀臼?GaN 可以展示其技術(shù)優(yōu)勢的地方。

此外，GaN 產(chǎn)量大幅增長。隨著給定基站系統(tǒng)中使用的 PA 數(shù)量不斷增加，這在大規(guī)模 MIMO 空間中非常明顯。隨著 GaN 在這些不同的子市場中獲得市場份額——5G 基站是較大的市場之一——供應(yīng)商能夠擴(kuò)大批量生產(chǎn)，將供應(yīng)鏈成本降低到極具競爭力的水平。這意味著 GaN 以更便宜的價(jià)格提供更好的性能，獲得更廣泛的采用和額外的規(guī)模節(jié)省。GaN 的價(jià)格只會(huì)在未來變得更具競爭力。

并非所有 GaN 的行為都相同

存在一種誤解，認(rèn)為所有 GaN 功率放大器都足夠相似，可以商品化。依賴 LDMOS 解決方案的工程師很容易做出這樣的假設(shè)。如果您從半導(dǎo)體級(jí)別查看來自不同供應(yīng)商的 LDMOS 器件的特性，它們非常相似。在 GaN 領(lǐng)域并非如此。每個(gè)供應(yīng)商以不同的方式開發(fā)以解決 GaN 生產(chǎn)挑戰(zhàn)，這意味著不同的優(yōu)勢和劣勢。因此，每個(gè)供應(yīng)商的 GaN 表現(xiàn)不同，供應(yīng)商通常有不同的解決方案來適應(yīng)他們獨(dú)特的 PA。嵌入式設(shè)計(jì)人員不應(yīng)假設(shè)他們過去使用 GaN 的經(jīng)驗(yàn)適用于所有供應(yīng)商。與您的供應(yīng)商密切協(xié)調(diào)，確保您充分利用每個(gè)獨(dú)特的 GaN PA。

柵極電流

嵌入式設(shè)計(jì)人員在 GaN PA 的數(shù)據(jù)表上看到了高柵極電流并產(chǎn)生了擔(dān)憂。他們假設(shè)高柵極電流會(huì)導(dǎo)致器件故障。事實(shí)是，高門并不總是意味著這是一個(gè)可靠性問題?？煽啃苑浅Ｒ蕾囉诩夹g(shù)，這又回到了之前討論的內(nèi)容——并非所有 GaN 的行為都相同。通過簡單的偏置電路調(diào)整來適應(yīng)更高的電流，系統(tǒng)功率效率和密度都得到了顯著提高。

最大化 GaN 性能的設(shè)計(jì)解決方案

如前幾篇文章所述，GaN 提供了更高的功率密度、效率和頻率靈活性。然而，為了充分利用半導(dǎo)體的潛力，嵌入式設(shè)計(jì)人員應(yīng)該發(fā)揮材料的優(yōu)勢。以下是一些需要考慮的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)踐。

線性化設(shè)計(jì)

在采用 GaN 之前，大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題是線性化。有一種看法認(rèn)為 GaN 難以線性化。在某些情況下會(huì)出現(xiàn)這種情況，但也有一些可管理的方法來解決線性化缺陷，從而減輕非線性和陷阱效應(yīng)。可以通過將設(shè)備置于理想應(yīng)用空間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法或控制 IQ 漂移和跟蹤陷印效應(yīng)的軟件算法來完成。供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展以應(yīng)對這些確切的挑戰(zhàn)。

有一些工作需要完成，但回報(bào)是顯著提高電源效率。這是一個(gè)需要考慮的權(quán)衡。根據(jù)需要，一些設(shè)計(jì)人員會(huì)進(jìn)行這種交易，而其他設(shè)計(jì)人員將退回到傳統(tǒng)的 LDMOS 解決方案。

雖然 GaN 線性度改進(jìn)的機(jī)會(huì)仍然存在，但 GaN 晶體管的低漏源電容可以為寬和超寬瞬時(shí)帶寬信號(hào)提供更好的響應(yīng)，從而為這些信號(hào)帶來更好的整體系統(tǒng)線性化。視頻帶寬也是 GaN 可以超越競爭技術(shù)的一個(gè)領(lǐng)域。

還值得注意的是，線性效率是通信行業(yè)的主要研發(fā)重點(diǎn)。由于數(shù)字處理和器件級(jí)的改進(jìn)，分析師預(yù)計(jì) GaN 線性化將在未來三到五年內(nèi)顯著改善。當(dāng)下一代 GaN 提供市場領(lǐng)先的線性度時(shí)，請不要感到驚訝。

散熱意識(shí)

GaN功率放大器在硅基技術(shù)無法達(dá)到的溫度下工作，簡化了系統(tǒng)內(nèi)的散熱和冷卻要求。然而，如果嵌入式設(shè)計(jì)人員不小心，更高的熱密度可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)，尤其是如果使用更少的GaN-PA降低了系統(tǒng)的尺寸。較小的系統(tǒng)將對意外組件施加更大的熱壓。

工程團(tuán)隊(duì)傾向于關(guān)注結(jié)溫。由于GaN-PA支持如此高的結(jié)溫，系統(tǒng)的其他部分成為限制因素。焊點(diǎn)是一個(gè)經(jīng)常被忽視的例子。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮到這一點(diǎn)。利用GaN-PA可以在更高溫度下工作的知識(shí)，重新評估內(nèi)部可靠性要求，并在設(shè)計(jì)過程中充分利用這一點(diǎn)，最有利于工程師。

利用供應(yīng)商的專業(yè)知識(shí)

供應(yīng)商知道自己產(chǎn)品的理想應(yīng)用并不奇怪，但應(yīng)用工程師對射頻之外的嵌入式系統(tǒng)的了解可能會(huì)讓客戶感到震驚。為了盡可能有效，GaN-PA需要與設(shè)備的其余部分協(xié)同工作。這需要圍繞載波和峰值電壓等要素對整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。這在PA技術(shù)中是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的，但需要注意的是，對于GaN應(yīng)用來說，存在著相同類型的交易空間。

盡管如此，一些客戶并沒有充分利用供應(yīng)商的應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)。就如何最好地實(shí)施解決方案，咨詢您的GaN供應(yīng)商總是值得的。他們將知道安全地獲得PA最大性能的所有技巧。一個(gè)快速的電話，他們就會(huì)在你旁邊的實(shí)驗(yàn)室工作，解決一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

展望未來

在本系列的下一篇文章中，我們將研究一些可能在不久的將來改變基站應(yīng)用的潛在GaN創(chuàng)新。

審核編輯 黃昊宇