低于6GHz的5G基站的功率需求正在推動(dòng)從LDMOS放大器向基于GaN的解決方案的轉(zhuǎn)變。高功率密度、高效率和更寬的頻率支持使其成為許多RF應(yīng)用的引人注目的解決方案。在嵌入式開發(fā)中，任何嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都會(huì)告訴你，每種材料都有一個(gè)權(quán)衡。要充分利用GaNRF功率放大器的優(yōu)勢，通常需要在方法上做一些小小的改變，這樣做的結(jié)果是值得的。

在探索設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐之前，有必要澄清一下圍繞GaN的常見誤解。

費(fèi)用

GaN被工程界的許多人視為成本過高。從狹義的角度來看，這是準(zhǔn)確的。如今，GaN的生產(chǎn)成本比純硅或LDMOS解決方案更高。然而，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)鍵數(shù)字。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梢栽诟〉姆庋b中滿足電源需求。更小的封裝不僅降低了電路板尺寸和成本，還降低了散熱器的成本。多頻段和寬帶GaN放大器可以取代系統(tǒng)中的多個(gè)獨(dú)立窄帶放大器，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)總成本。這并不是說它是所有應(yīng)用的完美之選，但是從性價(jià)比的角度來看，GaN通常意味著節(jié)省。總擁有成本是GaN可以展示其技術(shù)優(yōu)勢的地方。

此外，氮化鎵產(chǎn)量大幅增長。隨著給定基站系統(tǒng)中PA數(shù)量的增加，這一點(diǎn)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基站是其中較大的一個(gè)——供應(yīng)商能夠擴(kuò)大批量生產(chǎn)，將供應(yīng)鏈成本降至極具競爭力的水平。這意味著GaN以更低的成本提供更好的性能，獲得更廣泛的采用，并從規(guī)模中節(jié)省更多成本。GaN的價(jià)格只會(huì)越來越有競爭力。

并非所有GaN的行為都一樣

有一種誤解，認(rèn)為所有GaN功率放大器都很相似，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)。如果你在半導(dǎo)體層面上觀察不同廠商的LDMOS器件的特性，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們非常相似。在GaN空間中情況并非如此。每個(gè)供應(yīng)商解決GaN生產(chǎn)挑戰(zhàn)的開發(fā)方法都不一樣，這就轉(zhuǎn)化為不同的優(yōu)勢和劣勢。因此，每個(gè)供應(yīng)商的GaN表現(xiàn)不同，并且供應(yīng)商通常有不同的解決方案來適應(yīng)其獨(dú)特的pa。在嵌入式開發(fā)中，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)適用于所有廠商。與您的供應(yīng)商密切合作，確保您從每種獨(dú)特的GaNPA中獲得最大收益。

柵電流

嵌入式設(shè)計(jì)人員在GaNPA的數(shù)據(jù)手冊上看到高柵極電流，并有所顧慮。他們認(rèn)為高柵極電流會(huì)導(dǎo)致器件故障。事實(shí)是，高門并不總是意味著它是一個(gè)可靠性問題。可靠性非常依賴于技術(shù)，這又回到了之前討論過的問題——并非所有GaN的表現(xiàn)都一樣。通過簡單的偏置電路調(diào)整來適應(yīng)更高的電流，系統(tǒng)的功效和密度都有顯著提高。

設(shè)計(jì)解決方案以最大化GaN性能

如前所述，GaN提供了更高的功率密度、效率和頻率靈活性。然而，為了充分發(fā)揮半導(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。下面是一些需要考慮的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)實(shí)踐。

線性化設(shè)計(jì)

在使用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。有一種感覺是GaN很難線性化。有這樣的情況，但也有可管理的方法來解決線性化不足，減輕非線性和陷阱效應(yīng)。這可以通過將器件置于理想應(yīng)用空間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)，也可以通過控制IQ漂移和跟蹤陷阱效應(yīng)的軟件算法來實(shí)現(xiàn)。供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到可以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

雖然還有工作要做，但回報(bào)是顯著提高能效。這是一個(gè)需要考慮的權(quán)衡。根據(jù)需要，在嵌入式開發(fā)中，一些設(shè)計(jì)人員將進(jìn)行這種交易，其他人將退回到傳統(tǒng)的LDMOS解決方案。

雖然GaN線性度仍有提高的空間，但GaN晶體管的低漏源電容可以更好地響應(yīng)寬和超寬瞬時(shí)帶寬信號，從而使這些信號的整體系統(tǒng)線性化更好。視頻帶寬也是GaN優(yōu)于競爭技術(shù)的一個(gè)領(lǐng)域。

散熱意識

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)，尤其是在使用更少的GaNPAs已經(jīng)縮小了系統(tǒng)尺寸的情況下。較小的系統(tǒng)會(huì)給意外的組件帶來更大的熱壓力。

工程團(tuán)隊(duì)傾向于關(guān)注結(jié)溫。由于GaNPAs支持如此高的結(jié)溫，系統(tǒng)的其它部分成為限制因素。焊點(diǎn)是一個(gè)經(jīng)常被忽視的例子。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮這一點(diǎn)。工程師最好重新評估內(nèi)部可靠性要求，了解GaNPAs可以在更高的溫度下工作，并在設(shè)計(jì)過程中充分利用這一點(diǎn)。

利用供應(yīng)商的專業(yè)知識

廠商知道自己產(chǎn)品的理想應(yīng)用并不奇怪，但應(yīng)用工程師對射頻以外的嵌入式系統(tǒng)的了解可能會(huì)讓客戶感到震驚。為了盡可能有效，GaNPA需要與器件的其余部分協(xié)同工作。這需要圍繞載波和峰值電壓等元素進(jìn)行整體產(chǎn)品優(yōu)化。在嵌入式開發(fā)中，這在PA技術(shù)中是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的，但需要注意的是，GaN應(yīng)用也存在同樣類型的交易空間。