5G и GaN:что нужно знать разработчикам встроенных решений

Как описано в предыдущей статье этой серии, потребности в мощности базовых станций 5G с частотой менее 6 ГГц приводят к переходу от LDMOS-усилителей к решениям на основе GaN. Высокая плотность мощности, эффективность и более широкая частотная поддержка делают его отличным решением для многих радиочастотных приложений. Любой разработчик встраиваемых систем скажет вам, что каждый материал имеет компромисс. Использование всех преимуществ ВЧ-усилителей мощности на основе GaN часто требует небольших изменений в подходе, и результат стоит затраченных усилий.

Прежде чем изучать передовые методы проектирования, стоит разобраться с распространенными заблуждениями, связанными с GaN.

Заблуждения GaN

Стоимость

Многие в инженерном сообществе считают GaN слишком дорогим. С узкой точки зрения это верно; Сегодня производство GaN обходится дороже, чем чистый кремний или раствор LDMOS. Однако при этом игнорируется прирост производительности, который может компенсировать дополнительные системные затраты. Соотношение цены и качества - это ключевой показатель, который необходимо оценить. В зависимости от потребности GaN может снизить общие затраты на всю систему, поскольку вы сможете удовлетворить потребности в энергии в меньшем корпусе. Меньшие по размеру корпуса не только уменьшают размеры платы и уменьшают стоимость, но и уменьшают количество радиаторов, что дает значительную экономию. Многополосные и широкополосные усилители на основе GaN могут заменить несколько отдельных узкополосных усилителей в системах, что может дополнительно снизить общие затраты на систему. Нельзя сказать, что он идеально подходит для любого приложения, но если смотреть через призму производительности на доллар, GaN часто дает экономию. Общая стоимость владения - вот где GaN может продемонстрировать технологические преимущества.

Кроме того, резко выросли объемы производства GaN. Это очень ясно в массивном пространстве MIMO с растущим числом PA, используемых в данной системе базовых станций. По мере того как GaN завоевывает долю рынка на этих различных субрынках - базовые станции 5G являются одними из самых крупных - поставщики могут наращивать массовое производство, снижая издержки цепочки поставок до очень конкурентоспособного уровня. Это означает, что GaN обеспечивает лучшую производительность при более низкой цене, обеспечивает более широкое распространение и дополнительную экономию за счет масштабирования. Цена на GaN в будущем станет только более конкурентоспособной.

Не все GaN ведут себя одинаково

Существует заблуждение, что все усилители мощности на основе GaN достаточно похожи, чтобы их можно было использовать в коммерческих целях. Это несложное предположение, исходящее от инженеров, которые полагались на решения LDMOS. Если вы посмотрите на характеристики устройств LDMOS от разных производителей на уровне полупроводников, они невероятно похожи. В пространстве GaN это не так. Каждый поставщик по-разному подходит к разработке для решения проблем, связанных с производством GaN, и это приводит к разным сильным и слабым сторонам. Следовательно, GaN от каждого поставщика ведет себя по-разному, и поставщики часто предлагают различные решения для своих уникальных PA. Разработчики встраиваемых систем не должны предполагать, что опыт, который они имели в прошлом с GaN, будет актуален для всех поставщиков. Тесно координируйте свои действия со своим поставщиком, чтобы получить максимальную отдачу от каждого уникального GaN PA.

Ток затвора

Разработчики встраиваемых систем видят в технических характеристиках GaN PA высокий ток затвора и вызывают опасения. Они предполагают, что высокие токи затвора вызывают отказы устройства. Правда в том, что высокие ворота не всегда означают, что это проблема надежности. Надежность очень зависит от технологии и возвращается к тому, что обсуждалось ранее - не все GaN ведут себя одинаково. Простая регулировка цепей смещения для работы с более высокими токами позволяет существенно повысить энергоэффективность и плотность системы.

Дизайнерские решения для максимальной производительности GaN

Как обсуждалось в предыдущих статьях, GaN обеспечивает повышенную плотность мощности, эффективность и частотную гибкость. Однако, чтобы использовать весь потенциал полупроводников, разработчикам встроенных систем следует использовать сильные стороны материалов. Вот некоторые приемы проектирования системного уровня, которые следует учитывать.

Проектирование с учетом линеаризации

Перед тем, как перейти к GaN, самая большая проблема для большинства разработчиков встраиваемых систем - это линеаризация. Бытует мнение, что GaN сложно линеаризовать. Бывают ситуации, когда это так, но есть также управляемые способы устранения линеаризованного дефицита, которые смягчают нелинейные и захватывающие эффекты. Это можно сделать с помощью подходов к проектированию системы, которые помещают устройство в идеальное пространство для приложений, или программных алгоритмов, которые контролируют дрейф IQ и отслеживают эффекты захвата. Экосистема поставщиков выросла для решения именно этих задач.

Есть работа, которую нужно проделать, но окупаемость - значительно более высокая энергоэффективность. Это компромисс, который необходимо учитывать. В зависимости от потребности некоторые дизайнеры сделают это, а другие вернутся к традиционному решению LDMOS.

Хотя возможности для улучшения линейности GaN все еще существуют, низкая емкость сток-исток GaN-транзисторов может обеспечить лучший отклик на широкие и сверхширокие сигналы мгновенной полосы пропускания, что приводит к лучшей линеаризации всей системы для этих сигналов. Полоса пропускания видео также является областью, в которой GaN может превзойти конкурирующие технологии.

Также стоит отметить, что линейная эффективность является основным направлением исследований и разработок отрасли связи. Аналитики ожидают, что благодаря усовершенствованию как цифровой обработки, так и уровня устройств линеаризация GaN значительно улучшится в течение следующих трех-пяти лет. Не удивляйтесь, когда будущие поколения GaN обеспечат лучшую линейность на рынке.

Информация о тепловом диссипации

Усилители мощности на основе GaN работают при температурах, недоступных для кремниевых технологий, что упрощает требования к радиатору и охлаждению внутри системы. Однако более высокая плотность тепла может создать проблемы, если разработчики встраиваемых систем не будут осторожны, особенно если использование меньшего количества GaN PA уменьшило размер форм-фактора системы. Система меньшего размера будет оказывать большее тепловое давление на неожиданные компоненты.

Команды инженеров обычно сосредотачиваются на температуре перехода. Поскольку GaN PA поддерживает такую ​​высокую температуру перехода, другие части системы становятся ограничивающим фактором. Паяные соединения - пример, о котором часто забывают. Это необходимо учитывать при проектировании систем. Инженеры могут лучше всего переоценить внутренние требования к надежности, зная, что GaN PA могут работать при более высоких температурах, и в полной мере использовать это во время проектирования.

Воспользуйтесь опытом поставщиков

Неудивительно, что производители знают идеальные приложения для своих продуктов, но клиенты могут быть шокированы знанием прикладных программ встраиваемых систем за пределами RF. Чтобы быть максимально эффективным, GaN PA должен работать согласованно с остальной частью устройства. Это требует оптимизации всего продукта в отношении таких элементов, как несущее и пиковое напряжение. Это довольно стандартно для технологий PA, но важно отметить, что такой же тип торгового пространства существует для приложений GaN.

Тем не менее, некоторые клиенты не пользуются всеми преимуществами команды разработчиков приложений. Всегда стоит проконсультироваться с вашим поставщиком GaN о том, как лучше всего реализовать решение. Они будут знать все хитрости, чтобы безопасно получить максимальную производительность от PA. Один короткий телефонный звонок, и они будут в лаборатории рядом с вами, чтобы решить проблему дизайна.

Взгляд в будущее

В следующей статье этой серии мы рассмотрим некоторые из потенциальных инноваций GaN, которые могут преобразовать приложения базовых станций в ближайшем будущем.