5G和GaN:嵌入式设计人员需要了解的内容

如中所述 上一篇文章 在该系列中,低于6GHz的5G基站的功率需求正推动着从LDMOS放大器向基于GaN的解决方案的转变。高功率密度,效率和更宽的频率支持使其成为许多RF应用的引人注目的解决方案。正如任何嵌入式系统设计人员会告诉您的那样,每种材料都需要进行权衡。要充分利用GaN RF功率放大器的全部优势,通常需要在方法上进行少量改动,其结果值得我们付出努力。

在探索设计最佳实践之前,值得解决有关GaN的常见误解。

GaN误解

成本

GaN被工程界的许多人视为成本过高。从狭perspective的角度来看是准确的;如今,GaN的生产要比纯硅或LDMOS解决方案昂贵。但是,这忽略了可以抵消额外系统成本的性能提升。性价比是评估的关键指标。根据需要,GaN可以降低整个系统的总体成本,因为您可以使用更小的封装来满足电源需求。较小的封装不仅可以减小电路板尺寸和成本,而且可以节省大量的散热器。多频带和宽带GaN放大器可以代替系统中的多个单独的窄带放大器,从而可以进一步降低系统总成本。这并不是说它非常适合每种应用,但是从每美元的性能角度来看,GaN通常可以节省成本。总拥有成本是GaN可以证明其技术优势的地方。

此外,GaN的生产量急剧增长。在给定基站系统中使用的PA数量不断增加的情况下,在庞大的MIMO空间中,这一点非常明显。随着GaN在这些不同的子市场中获得市场份额(5G基站是较大的子市场之一),供应商能够扩大批量生产,从而将供应链成本降低到极具竞争力的水平。这意味着GaN可以提供更好的性能,更便宜的价格,获得更广泛的采用,并从规模上节省更多成本。氮化镓的价格只会在未来具有更大的竞争力。

并非所有的GaN都具有相同的特性

有一个误解,认为所有的GaN功率放大器都足以使其商品化。由依赖LDMOS解决方案的工程师做出的假设很容易。如果您在半导体级别查看来自不同供应商的LDMOS器件的特性,它们’非常相似。在GaN领域并非如此。每个供应商采用不同的方法来解决GaN生产难题,并转化为不同的优势和劣势。因此,每个供应商提供的GaN的行为都各不相同,并且供应商通常具有多种解决方案来适应其独特的功率放大器。嵌入式设计人员不应以为过去使用GaN的经验将在所有供应商中都适用。与您的供应商紧密协调,以确保您从每个独特的GaN PA中获得最大收益。

门极电流

嵌入式设计人员会在GaN PA的数据手册上看到较高的栅极电流,并对此有所担忧。他们认为高栅极电流会导致器件故障。事实是,高门并不总是意味着可靠性问题。可靠性与技术息息相关,可以追溯到之前讨论的内容–并非所有的GaN都具有相同的性能。通过简单的偏置电路调整来适应更大的电流,系统的电源效率和密度都将大大提高。

最大化GaN性能的设计解决方案

如前几篇文章所述,GaN具有更高的功率密度,效率和频率灵活性。为了发挥半导体的全部潜力,嵌入式设计人员应发挥材料的优势。这里是一些要考虑的系统级设计实践。

线性化设计

对于大多数嵌入式设计人员来说,在继续使用GaN之前,最大的担忧是线性化。人们认为GaN难以线性化。在某些情况下是这种情况,但也存在一些可解决的方法来解决线性化缺陷,从而减轻非线性和陷波效应。可以通过将设备放置在理想​​应用空间中的系统设计方法或控制IQ漂移和跟踪陷印效果的软件算法来完成。供应商生态系统已经成长为可以应对这些确切的挑战。

需要完成一些工作,但要获得的回报是明显提高了电源效率。它’需要权衡的因素。根据需要,一些设计师将从事这种贸易,而另一些则将退回到传统的LDMOS解决方案。

尽管仍存在改善GaN线性度的机会,但GaN晶体管的低漏源电容可对宽和超宽瞬时带宽信号提供更好的响应,从而使这些信号具有更好的整体系统线性化。视频带宽也是GaN可以超越竞争技术的领域。

还值得注意的是,线性效率是通信行业的主要研发目标&D焦点。由于数字处理和器件水平的提高,分析家预计GaN线性化将在未来三到五年内得到显着改善。未来的GaN能够提供市场领先的线性度时,请不要感到惊讶。

散热意识

GaN功率放大器在基于硅的技术无法达到的温度下工作,从而简化了系统中的散热和冷却要求。但是,如果嵌入式设计人员不小心,较高的热密度可能会带来挑战,特别是如果使用较少的GaN PA会减小系统尺寸的话。较小的系统将对意外组件施加更多的热压。

工程团队倾向于将重点放在结温上。由于GaN PA支持如此高的结温,因此系统的其他部分成为限制因素。焊点是一个经常被忽视的例子。系统设计需要考虑到这一点。通过重新评估内部可靠性要求,可以为工程师提供最佳服务,因为他们知道GaN PA可以在更高的温度下工作,并在设计过程中充分利用了这一点。

利用供应商的专业知识

供应商知道自己产品的理想应用并不奇怪,但是应用工程师对RF之外的嵌入式系统的了解可能会震惊客户。为了尽可能有效,GaN PA需要与器件的其余部分协同工作。这就需要围绕载波和峰值电压等元素对整个产品进行优化。这在PA技术中是相当标准的,但是’重要的是要注意,对于GaN应用来说,存在相同类型的交易空间。

不过,有些客户仍无法充分利用供应商的应用工程师团队的优势。始终值得向您的GaN供应商咨询如何最佳实施解决方案。他们将了解所有安全地利用功率放大器获得最大性能的技巧。快速打个电话,他们将在您旁边的实验室中进行工作,以解决设计难题。

展望未来

在本系列的下一篇文章中,我们将研究一些可能在不久的将来改变基站应用的GaN创新。


罗杰·霍尔 是现任高性能解决方案总经理 Qorvo,Inc.并领导无线基础设施,国防和航空航天以及电源管理市场的程序管理和应用工程。

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