5G 和 GaN：嵌入式设计师需要了解的内容

如本系列前一篇文章所述，低于 6GHz 5G 基站的功率需求正在推动从 LDMOS 放大器向基于 GaN 的解决方案的转变。高功率密度、效率和更广泛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师都会告诉您的那样，每种材料都需要权衡。要充分利用 GaN 射频功率放大器的全部优势，通常需要在方法上稍作调整，结果非常值得付出努力。

在探索设计最佳实践之前，有必要解决对 GaN 的常见误解。

对氮化镓的误解

成本

工程界的许多人认为 GaN 成本过高。从狭隘的角度来看，这是准确的；如今，与纯硅或 LDMOS 解决方案相比，GaN 的生产成本更高。然而，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 可能会降低整个系统的总成本，因为您能够以更小的封装满足电源需求。较小的封装不仅减少了电路板尺寸和成本，而且还减少了可以节省大量成本的散热器。多频带和宽带 GaN 放大器可以取代系统中多个单独的窄带放大器，从而进一步降低系统总成本。这并不是说它非常适合每个应用，但从每美元的性能角度来看，GaN 通常意味着节省。总拥有成本是 GaN 可以展示其技术优势的地方。

此外，GaN 的产量也大幅增长。随着给定基站系统中使用的 PA 数量不断增加，这在大规模 MIMO 空间中非常明显。随着 GaN 在这些不同的子市场（5G 基站是较大的子市场之一）中的市场份额不断增加，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 以更便宜的价格提供更好的性能，获得更广泛的采用并从规模上进一步节省成本。 GaN 的价格只会在未来变得更具竞争力。

并非所有 GaN 的行为都相同

有一种误解，认为所有 GaN 功率放大器都非常相似，可以商品化。依赖 LDMOS 解决方案的工程师很容易做出这样的假设。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，就会发现它们非常相似。在 GaN 领域情况并非如此。每个供应商都采用不同的开发方法来解决 GaN 生产挑战，这会转化为不同的优势和劣势。因此，每个供应商的 GaN 表现不同，供应商通常有不同的解决方案来适应他们独特的 PA。嵌入式设计人员不应假设他们过去使用 GaN 的经验将适用于所有供应商。与您的供应商密切协调，确保您充分利用每个独特的 GaN PA。

门极电流

嵌入式设计人员在 GaN PA 的数据表上看到高栅极电流，并有顾虑。他们假设高栅极电流会导致器件故障。事实是，高闸门并不总是意味着它是一个可靠性问题。可靠性非常依赖于技术，这又回到了之前讨论的内容——并非所有 GaN 的行为都相同。通过简单的偏置电路调整来适应更高的电流，系统功率效率和密度都得到了显着提高。

设计解决方案以最大限度地提高 GaN 性能

正如之前文章中所讨论的，GaN 可提供更高的功率密度、效率和频率灵活性。然而，为了充分发挥半导体的潜力，嵌入式设计师应该发挥材料的优势。以下是一些需要考虑的系统级设计实践。

线性化设计

大多数嵌入式设计人员在使用 GaN 之前最关心的问题是线性化。有一种看法认为 GaN 难以线性化。在某些情况下就是这种情况，但也有一些可管理的方法来解决线性化缺陷，以减轻非线性和陷阱效应。这可以通过将设备置于理想应用空间的系统设计方法，或控制 IQ 漂移和跟踪陷阱效应的软件算法来完成。供应商生态系统已经发展到能够应对这些确切的挑战。

需要做一些工作，但回报是显着提高能效。这是一个需要考虑的权衡。根据需要，一些设计人员会进行这种交易，而另一些设计人员将退回到传统的 LDMOS 解决方案。

虽然 GaN 线性度改进的机会仍然存在，但 GaN 晶体管的低漏源电容可以对宽和超宽瞬时带宽信号提供更好的响应，从而为这些信号带来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一个领域。

还值得注意的是，线性效率是通信行业的主要研发重点。由于数字处理和设备级的改进，分析师预计 GaN 线性化将在未来三到五年内显着改善。当未来几代 GaN 提供市场领先的线性度时，请不要感到惊讶。

散热意识

GaN 功率放大器在硅基技术无法达到的温度下运行，从而简化了系统内的散热器和冷却要求。然而，如果嵌入式设计人员不小心，更高的热密度会带来挑战，特别是如果使用较少的 GaN PA 已经减小了系统的外形尺寸。更小的系统会给意想不到的组件带来更大的热压力。

工程团队倾向于关注结温。由于 GaN PA 支持如此高的结温，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。工程师最好通过重新评估内部可靠性要求，了解 GaN PA 可以在更高的温度下工作并在设计过程中充分利用这一点。

利用供应商的专业知识

供应商知道他们自己产品的理想应用并不奇怪，但客户可能会被应用工程师对射频以外的嵌入式系统的了解所震惊。为了尽可能有效，GaN PA 需要与器件的其余部分协同工作。这需要围绕载波和峰值电压等元素进行整体产品优化。这在 PA 技术中是相当标准的，但重要的是要注意，GaN 应用也存在这种相同类型的交易空间。

尽管如此，一些客户并没有充分利用供应商的应用工程师团队。向您的 GaN 供应商咨询如何最好地实施解决方案总是值得的。他们会知道安全地从 PA 中获得最大性能的所有技巧。一个快速的电话，他们将在您旁边的实验室中努力解决设计挑战。

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潜在 GaN 创新。