嵌入式設計人員需釐清的常見GaN誤解

作者 : Roger Hall,Qorvo高性能解決方案事業部總經理

嵌入式系統設計人員都知道,每一種材料都必須權衡利弊。在探討最佳設計實踐之前,有必要澄清關於 GaN 的一些常見誤解。

6GHz 以下 5G 基地台的功率需求,正在推動 LDMOS 放大器向基於 GaN 的解決方案轉變。高功率密度、高效率和更寬的頻率支援,使基於 GaN 的解決方案成為適合許多射頻(RF)應用的優良選擇。嵌入式系統設計人員都知道,每一種材料都必須權衡利弊。要想充分利用 GaN 射頻功率放大器(PA)的優勢,需要對常規方法稍微做點調整,最終結果相當值得為其付出努力。

在探討最佳設計實踐之前,有必要澄清關於 GaN 的一些常見誤解。

對GaN的誤解

  • 成本

在工程界,人們都認為GaN成本過高。從比較狹隘的角度來看,這沒錯;與純矽或 LDMOS 解決方案相比,目前生產 GaN 的成本更高。但是,這種說法忽略了可以消減額外系統成本的性能好處。性價比是關鍵的評估指標,根據需要,GaN 可以降低整個系統的總成本,因為可以使用更小的封裝來滿足功率需求。

更小的封裝不僅可以縮小電路板尺寸,降低成本,還可以節省大量的散熱器成本。多頻段和寬頻 GaN 放大器可取代系統中的多個獨立窄頻放大器,從而進一步降低系統的總成本。這並不是說它完全適合所有應用,但從單位成本的性價比角度來看,GaN 通常可以節省成本,而擁有權總成本是 GaN 可以展示其技術優勢的一個方面。

此外,GaN 的產量正在大幅成長。鑒於基地台系統中使用的PA數量不斷增加,這在大規模 MIMO 應用中非常明顯。隨著 GaN 在這些不同子市場(5G 基地台是其中一個規模較大的子市場)的比重開始增加,供應商可擴大生產規模,同時將供應鏈成本降至極具競爭力的水準。這意味著,GaN 能夠以更低的成本提供更高的性能,同時獲得更廣泛的採用,並節省大量成本。GaN 的價格在未來只會越來越具競爭力。

  • 並非所有 GaN 都一樣

有一種誤解認為,所有的 GaN PA都相似,足以實現商品化。一直依賴 LDMOS 解決方案的工程師容易做出這樣的假設,如果從半導體層面來看不同供應商的LDMOS 元件性能,就會發現它們驚人地相似。但在 GaN 領域卻不盡然,每家供應商都採用不同的解決方案來應對GaN量產的挑戰,而這就意味著不同供應商的GaN元件存在不同的優缺點。因此,每家供應商的 GaN 元件性能各不相同,並且供應商通常會提供不同的解決方案,以滿足其獨特的 PA 需求。嵌入式設計人員不應該認為他們過去使用 GaN 的經驗對所有供應商都適用。與供應商密切合作可確保充分利用每個獨一無二的 GaN PA。

  • 閘極電流高會引起故障

嵌入式設計人員發現 GaN PA 的資料表中出現較高的閘極電流,並為此擔憂。他們認為高閘極電流會導致元件故障。事實上,高閘極電流並不一定意味著可靠性問題,可靠性在很大程度上取決於技術,這又回到了之前討論的問題——並非所有 GaN 都具有相同性能。透過簡單調整偏置電路以適應更高電流,可顯著提高系統功率效率和功率密度。

最大化GaN性能的設計方案

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,要想充分利用元件的潛力,嵌入式設計人員應發揮材料的優勢,以下討論需要考慮的一些系統級設計最佳實踐。

  • 線性化設計

在使用 GaN 之前,大多數嵌入式設計人員最關心的問題就是線性化。有人認為 GaN 很難進行線性化,在某些情況下確實如此,但也可以透過一些可控方式來解決其線性化缺陷,從而減少非線性和俘獲效應。利用將元件置於理想應用環境的系統設計方法,或透過控制 IQ 漂移和追蹤缺陷效應(trapping effect)的軟體演算法,可以實現較好的線性。目前,供應商生態系統已經發展至足以應對這些挑戰。

雖然還有許多問題要解決,但其好處在於可顯著提高功率效率,這一點需要權衡。根據需要,某些設計人員會採取這種新方法,而某些設計人員則會轉而使用傳統的 LDMOS 解決方案。

儘管仍有機會改進 GaN 的線性度,但汲極-源極電容較低的 GaN 電晶體可更好地回應較寬和超寬暫態頻寬訊號,從而提高這些訊號的整體系統線性。此外,視訊頻寬應用也是 GaN 性能可以超越其他競爭技術的一個部份。

值得注意的是,線性效率是通訊產業的研發重點。由於數文書處理和元件級的改進,分析人士預計 GaN 線性化將在未來3~5年內得到顯著改善。當未來幾代 GaN 具有市場領先的線性度時,請不要感到驚訝。

  • 散熱感測能力

GaN PA可在矽基技術無法達到的溫度下工作,從而簡化了系統內的散熱和冷卻要求。然而,如果嵌入式設計人員不夠仔細,尤其是如果使用更少的 GaN PA以 縮小系統的外形尺寸,那麼更高的熱密度可能會帶來一定挑戰——小型系統會給元件帶來更大的散熱壓力。

工程團隊往往會關注結溫。GaN PA 可支援很高的結溫,因而系統的其他部分則會成為阻礙因素。焊點就是一個經常被忽略的例子,系統設計需要考慮這一點。由於 GaN PA 可以在更高溫度下運作,工程師最好重新評估內部可靠性要求,並在設計過程中充分利用這一點。

  • 充分利用供應商的專業知識

供應商清楚其產品的理想應用條件並不奇怪,但應用工程師擁有射頻以外的嵌入式系統知識可能會讓客戶感到震驚。為了盡可能提高效率,GaN PA 需要與設計系統的其他元件協同工作,這就要求圍繞載波和峰值電壓等要素對整個產品進行最佳化。這其實是 PA 技術領域的常規標準,但值得注意的是,GaN應用也存在同樣的權衡空間。

然而,一些客戶並未充分利用供應商的應用工程師團隊。關於如何最好地實施解決方案,向GaN元件供應商諮詢是值得的,他們清楚以安全的方式充分利用 PA 性能的所有技巧。只需一通電話,他們就會在實驗室裡與你一起解決設計難題。

(參考原文:5G and GaN: What embedded designers need to know,by Roger Hall)

本文同步刊登於EE Times China 7月號雜誌

 

 

 

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