对 GaN 认识的几大误解

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本文源自Qorvo半导体

“高功率密度、高效率和更宽的频率支持使基于 GaN 的解决方案成为适合许多射频应用的优良选择。嵌入式系统设计人员都知道,每一种材料都必须权衡利弊。在探讨最佳设计实践之前,有必要澄清关于 GaN 的一些常见误解。”

 

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动 LDMOS 放大器向基于 GaN 的解决方案转变。高功率密度、高效率和更宽的频率支持使基于 GaN 的解决方案成为适合许多射频应用的优良选择。嵌入式系统设计人员都知道,每一种材料都必须权衡利弊。要想充分利用 GaN 射频功率放大器的优势,我们需要对常规方法稍微做点调整,相信最终结果不会让我们失望。

在探讨最佳设计实践之前,有必要澄清关于 GaN 的一些常见误解。

对GaN认识的几大误解

成本

在工程界,人们都认为 GaN 成本过高。从比较狭隘的角度来看,这没错;与纯硅或 LDMOS 解决方案相比,目前生产 GaN 的成本更高。但是,这种说法忽略了可以消减额外系统成本的性能好处。性价比是关键的评估指标。根据需要,GaN 可以降低整个系统的总成本,因为可以使用更小的封装来满足功率需求。更小的封装不仅可以缩小电路板尺寸,降低成本,还可以节省大量的散热器成本。多频段和宽带 GaN 放大器可取代系统中的多个独立窄带放大器,从而进一步降低系统的总成本。这并不是说它完全适合所有应用,但从单位成本的性价比角度来看,GaN 通常可以节省成本。总拥有成本是 GaN 可以展示其技术优势的一个方面。

此外,GaN 的产量正在大幅增长。鉴于基站系统中使用的 PA 数量不断增加,这在大规模 MIMO 应用中非常明显。随着 GaN 在这些不同子市场(5G 基站是其中一个规模较大的子市场)的市场份额开始增加,供应商可扩大生产规模,同时将供应链成本降至极具竞争力的水平。这意味着,GaN 能够以更低的成本提供更高的性能,同时获得更广泛的采用,并节省大量成本。GaN 的价格在未来只会越来越具竞争力。

 

并非所有 GaN 都一样

有一种误解认为,所有的 GaN 功率放大器都相似,足以实现商品化。一直依赖 LDMOS 解决方案的工程师容易做出这样的假设。如果从半导体层面来看不同供应商的 LDMOS 器件性能,就会发现它们惊人地相似。但在 GaN 领域却不尽然。每家供应商都采用不同的解决方案来应对 GaN 量产的挑战,而这就意味着不同供应商的 GaN 器件存在不同的优缺点。因此,每家供应商的 GaN 器件性能各不相同,并且供应商通常会提供不同的解决方案,以满足其独特的 PA 需求。嵌入式设计人员不应该认为他们过去使用 GaN 的经验对所有供应商都适用。与供应商密切合作可确保充分利用每个独一无二的 GaN PA。

 

栅极电流高会引起故障

嵌入式设计人员发现 GaN PA 的数据表中出现较高的栅极电流,并为此担忧。他们认为高栅极电流会导致器件故障。事实上,高栅极电流并不一定意味着可靠性问题。可靠性在很大程度上取决于技术,这又回到了之前讨论的问题——并非所有 GaN 都具有相同性能。通过简单调整偏置电路以适应更高电流,可显著提高系统功率效率和功率密度。

 

最大化GaN性能的设计方案

如前一篇文章中所述,GaN 可提高功率密度、效率和频率灵活性。然而,要想充分利用器件的潜力,嵌入式设计人员应发挥材料的优势。下面我们来讨论一下需要考虑的一些系统级设计最佳实践。

 

线性化设计

在使用 GaN 之前,大多数嵌入式设计人员最关心的问题就是线性化。有人认为 GaN 很难进行线性化。在某些情况下确实如此,但也可以通过一些可控方式来解决其线性化缺陷,从而减少非线性和俘获效应。通过将器件置于理想应用环境的系统设计方法,或通过控制 IQ 漂移和跟踪俘获效应的软件算法,可以实现较好的线性。供应商生态系统已经发展至足以应对这些挑战。

虽然还有许多问题要解决,但其好处在于可显著提高功率效率。这一点需要权衡考虑。根据需要,某些设计人员会采取这种新方法,而某些设计人员则会转而使用传统的 LDMOS 解决方案。

尽管仍有机会改进 GaN 的线性度,但漏极-源极电容较低的 GaN 晶体管可更好地响应较宽和超宽瞬时带宽信号,从而提高这些信号的整体系统线性。视频带宽应用也是 GaN 性能可以超越其它竞争技术的一个方面。

值得注意的是,线性效率是通信行业的研发重点。由于数字处理和器件级的改进,分析人士预计GaN线性化将在未来三到五年内得到显著改善。当未来几代 GaN 具有市场领先的线性度时,请不要感到惊讶。

 

散热感知能力

GaN 功率放大器可在硅基技术无法达到的温度下工作,从而简化了系统内的散热和冷却要求。然而,如果嵌入式设计人员不够仔细,尤其是如果使用更少的 GaN PA 缩小系统的外形尺寸,那么更高的热密度可能会带来一定挑战。小型系统会给器件带来更大的散热压力。

工程团队往往会关注结温。GaN PA 可支持很高的结温,因而系统的其他部分则会成为阻碍因素。焊点就是一个经常被忽略的例子。系统设计需要考虑这一点。由于 GaN PA 可以在更高温度下运行,工程师最好重新评估内部可靠性要求,并在设计过程中充分利用这一点。

 

充分利用供应商的专业知识

供应商清楚其产品的理想应用条件并不奇怪,但应用工程师拥有射频以外的嵌入式系统知识可能会让客户感到震惊。为了尽可能提高效率,GaN PA 需要与设计系统的其它器件协同工作。这就要求围绕载波和峰值电压等要素对整个产品进行优化。这其实是 PA 技术领域的常规标准,但值得注意的是,GaN 应用也存在同样的权衡空间。

然而,一些客户并未充分利用供应商的应用工程师团队。关于如何最好地实施解决方案,向 GaN 器件供应商咨询是值得的。他们清楚以安全的方式充分利用 PA 性能的所有技巧。只需一个电话,他们就会在实验室里与您一起解决设计难题。

 

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