5G 和 GaN：嵌入式设计人员需要了解的内容

如本系列上一篇文章所述，6GHz 以下 5G 基站的功率需求正在推动从 LDMOS 放大器转向基于 GaN 的解决方案。高功率密度、效率和更广泛的频率支持使其成为许多射频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取舍。要充分利用 GaN 射频功率放大器的全部优势，通常需要在方法上进行小幅转变，结果非常值得付出努力。

在探索设计最佳实践之前，有必要先解决关于 GaN 的常见误解。

对 GaN 的误解

成本

工程界的许多人认为 GaN 的成本过高。从狭隘的角度来看是准确的；如今，GaN 的生产成本高于纯硅或 LDMOS 解决方案。但是，这忽略了可以抵消额外系统成本的性能提升。性价比是评价的关键指标。根据需要，GaN 可能会降低整个系统的总成本，因为您能够在更小的封装中满足功率需求。更小的封装不仅减少了电路板尺寸和成本，而且还减少了可以大量节省的散热器。多频带和宽带 GaN 放大器可以替代系统中的多个单独的窄带放大器，从而进一步降低系统总成本。这并不是说它完全适合每个应用程序，而是从每美元性能的角度来看，GaN 通常转化为节省。总拥有成本是 GaN 可以展示其技术优势的地方。

此外，GaN 产量大幅增长。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中获得市场份额——5G 基站是较大的市场之一——供应商能够扩大批量生产，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，获得更广泛的采用和额外的规模节省。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

存在一种误解，认为所有 GaN 功率放大器都足够相似，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。如果您从半导体级别查看来自不同供应商的 LDMOS 器件的特性，它们非常相似。在 GaN 领域并非如此。每个供应商以不同的方式开发以解决 GaN 生产挑战，这意味着不同的优势和劣势。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。

栅极电流

嵌入式设计人员在 GaN PA 的数据表上看到了高栅极电流并产生了担忧。他们假设高栅极电流会导致器件故障。事实是，高门并不总是意味着这是一个可靠性问题。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。

最大化 GaN 性能的设计解决方案

如前几篇文章所述，GaN 提供了更高的功率密度、效率和频率灵活性。然而，为了充分利用半导体的潜力，嵌入式设计人员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

在采用 GaN 之前，大多数嵌入式设计人员最关心的问题是线性化。有一种看法认为 GaN 难以线性化。在某些情况下会出现这种情况，但也有一些可管理的方法来解决线性化缺陷，从而减轻非线性和陷阱效应。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 漂移和跟踪陷印效应的软件算法来完成。供应商生态系统已经发展以应对这些确切的挑战。

有一些工作需要完成，但回报是显着提高电源效率。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，而其他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为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。由于数字处理和器件级的改进，分析师预计 GaN 线性化将在未来三到五年内显着改善。当下一代 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工作，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小心，更高的热密度可能会带来挑战，尤其是如果使用更少的GaN-PA降低了系统的尺寸。较小的系统将对意外组件施加更大的热压。

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。利用GaN-PA可以在更高温度下工作的知识，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，最有利于工程师。

利用供应商的专业知识

供应商知道自己产品的理想应用并不奇怪，但应用工程师对射频之外的嵌入式系统的了解可能会让客户感到震惊。为了尽可能有效，GaN-PA需要与设备的其余部分协同工作。这需要围绕载波和峰值电压等要素对整个产品进行优化。这在PA技术中是相当标准的，但需要注意的是，对于GaN应用来说，存在着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。就如何最好地实施解决方案，咨询您的GaN供应商总是值得的。他们将知道安全地获得PA最大性能的所有技巧。一个快速的电话，他们就会在你旁边的实验室工作，解决一个设计挑战。

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。

审核编辑 黄昊宇