5G en GaN:wat ingebedde ontwerpers moeten weten

Zoals beschreven in het vorige artikel in deze serie, zorgen de stroombehoeften van sub-6GHz 5G-basisstations voor een verschuiving van LDMOS-versterkers naar GaN-gebaseerde oplossingen. De hoge vermogensdichtheid, efficiëntie en bredere frequentieondersteuning maken het een aantrekkelijke oplossing voor veel RF-toepassingen. Zoals elke ontwerper van embedded systemen u zal vertellen, heeft elk materiaal een afweging. Om de volledige voordelen van GaN RF-eindversterkers te benutten, zijn vaak kleine verschuivingen in benadering nodig, waarbij de resultaten de moeite meer dan waard zijn.

Voordat we de beste ontwerppraktijken onderzoeken, is het de moeite waard om de veelvoorkomende misvattingen rond GaN aan te pakken.

GaN misvattingen

Kosten

GaN wordt door velen in de technische gemeenschap als onbetaalbaar beschouwd. Vanuit een smal perspectief is dat juist; GaN is tegenwoordig duurder om te produceren dan een pure silicium- of LDMOS-oplossing. Dat negeert echter de prestatiewinst die extra systeemkosten kan compenseren. Prijs-prestatieverhouding is het belangrijkste cijfer om te evalueren. Afhankelijk van de behoefte kan GaN de totale kosten van het hele systeem verlagen, omdat u in een kleiner pakket aan de stroombehoeften kunt voldoen. De kleinere pakketten verminderen niet alleen de bordafmetingen en -kosten, maar ook de koellichamen waar grote besparingen te vinden zijn. Multiband- en breedband GaN-versterkers kunnen meerdere afzonderlijke smalbandversterkers in systemen vervangen die de totale systeemkosten verder kunnen verlagen. Dat wil niet zeggen dat het de perfecte pasvorm is voor elke toepassing, maar gezien door de lens van prestaties per dollar, vertaalt GaN zich vaak in besparingen. Total cost of ownership is waar GaN zijn technologische voordelen kan laten zien.

Bovendien zijn de productievolumes van GaN enorm gegroeid. Dit is heel duidelijk in de enorme MIMO-ruimte met het toenemende aantal PA's dat in een bepaald basisstationsysteem wordt gebruikt. Naarmate GaN marktaandeel wint in deze verschillende submarkten - 5G-basisstations zijn een van de grotere - kunnen leveranciers de bulkproductie opschalen, waardoor de supply chain-kosten dalen tot zeer concurrerende niveaus. Het betekent dat GaN betere prestaties levert voor goedkopere, bredere acceptatie en extra schaalbesparingen. De prijs van GaN zal in de toekomst alleen maar concurrerender worden.

Niet alle GaN gedraagt ​​zich hetzelfde

Er is een misvatting dat alle GaN-vermogensversterkers vergelijkbaar genoeg zijn om in de handel te worden gebracht. Het is een makkelijke aanname die komt van ingenieurs die op LDMOS-oplossingen hebben vertrouwd. Als je kijkt naar de kenmerken van LDMOS-apparaten van verschillende leveranciers op halfgeleiderniveau, lijken ze ongelooflijk veel op elkaar. Dat is niet het geval in de GaN-ruimte. Elke leverancier benadert ontwikkeling anders om GaN-productie-uitdagingen op te lossen, en dat vertaalt zich in verschillende sterke en zwakke punten. Bijgevolg gedraagt ​​GaN van elke leverancier zich anders, en leveranciers hebben vaak verschillende oplossingen voor hun unieke PA's. Embedded ontwerpers mogen er niet vanuit gaan dat een ervaring die ze in het verleden met GaN hebben gehad, voor alle leveranciers geldt. Werk nauw samen met uw leverancier om ervoor te zorgen dat u het meeste uit elke unieke GaN PA haalt.

Poortstroom

Ingebedde ontwerpers zien een hoge poortstroom op een gegevensblad voor een GaN PA en maken zich zorgen. Ze gaan ervan uit dat hoge poortstromen apparaatstoringen veroorzaken. De waarheid is dat een hoge poort niet altijd betekent dat het een betrouwbaarheidsprobleem is. Betrouwbaarheid is zeer technologieafhankelijk en komt terug op wat eerder is besproken - niet alle GaN gedraagt ​​​​zich hetzelfde. Met eenvoudige aanpassingen van de biascircuits om hogere stromen op te vangen, verbeteren zowel de efficiëntie als de dichtheid van het systeem aanzienlijk.

Ontwerpoplossingen om de GaN-prestaties te maximaliseren

Zoals besproken in eerdere artikelen, levert GaN een hogere vermogensdichtheid, efficiëntie en frequentieflexibiliteit. Om het volledige potentieel van de halfgeleider te benutten, moeten ingebedde ontwerpers echter inspelen op de sterke punten van de materialen. Hier zijn enkele ontwerppraktijken op systeemniveau om te overwegen.

Ontwerpen voor linearisatie

De grootste zorg voor de meeste ingebedde ontwerpers voordat ze verder gaan met GaN, is linearisatie. Er is een perceptie dat GaN moeilijk te lineariseren is. Er zijn situaties waarin dat het geval is, maar er zijn ook beheersbare manieren om gelineariseerde tekortkomingen aan te pakken die niet-lineaire effecten en vangsteffecten verminderen. Het kan worden gedaan met systeemontwerpbenaderingen die het apparaat in de ideale toepassingsruimte plaatsen, of software-algoritmen die IQ-drift en tracking-trapping-effecten controleren. Het leveranciersecosysteem is gegroeid om deze exacte uitdagingen aan te gaan.

Er is werk dat moet worden gedaan, maar het resultaat is een aanzienlijk betere energie-efficiëntie. Het is een afweging die moet worden overwogen. Afhankelijk van de behoefte zullen sommige ontwerpers die ruil maken en zullen anderen terugvallen op een traditionele LDMOS-oplossing.

Hoewel er nog steeds mogelijkheden zijn voor verbetering van de GaN-lineariteit, kan de lage afvoer-broncapaciteit van GaN-transistors betere reacties bieden op brede en ultrabrede onmiddellijke bandbreedtesignalen, wat leidt tot een betere algehele systeemlinearisatie voor die signalen. Videobandbreedte is ook een gebied waar GaN beter kan presteren dan concurrerende technologieën.

Het is ook vermeldenswaard dat lineaire efficiëntie de primaire R&D-focus van de communicatie-industrie is. Dankzij zowel digitale verwerking als verbeteringen op apparaatniveau verwachten analisten dat de GaN-linearisatie de komende drie tot vijf jaar drastisch zal verbeteren. Wees niet verbaasd als toekomstige generaties GaN marktleidende lineariteit leveren.

Bewustzijn van thermische dissipatie

GaN-vermogensversterkers werken bij temperaturen die op silicium gebaseerde technologieën niet kunnen bereiken, waardoor de vereisten voor koellichaam en koeling binnen een systeem worden vereenvoudigd. Hogere warmtedichtheden kunnen echter voor uitdagingen zorgen als ingebedde ontwerpers niet voorzichtig zijn, vooral als het gebruik van minder GaN PA's de grootte van de vormfactor van een systeem heeft verkleind. Een kleiner systeem zal meer warmtedruk uitoefenen op onverwachte componenten.

Engineeringteams hebben de neiging zich te concentreren op de junctietemperatuur. Omdat GaN PA's zulke hoge junctietemperaturen ondersteunen, worden andere delen van het systeem de beperkende factor. Soldeerverbindingen zijn een vaak over het hoofd gezien voorbeeld. Systeemontwerpen moeten hier rekening mee houden. Ingenieurs zijn het beste gediend door de interne betrouwbaarheidsvereisten opnieuw te evalueren met de wetenschap dat GaN PA's bij hogere temperaturen kunnen werken en daar tijdens het ontwerp ten volle van kunnen profiteren.

Profiteer van de expertise van leveranciers

Het is niet verwonderlijk dat leveranciers de ideale toepassingen van hun eigen product kennen, maar klanten kunnen geschokt zijn door de kennis van applicatie-ingenieurs van embedded systemen buiten RF. Om zo effectief mogelijk te zijn, moet een GaN PA samenwerken met de rest van het apparaat. Dat vereist volledige productoptimalisatie rond elementen zoals draaggolf- en piekspanningen. Dit is vrij standaard voor PA-technologieën, maar het is belangrijk op te merken dat hetzelfde type handelsruimte bestaat voor GaN-toepassingen.

Toch profiteren sommige klanten niet ten volle van het team van applicatie-ingenieurs van een leverancier. Het is altijd de moeite waard om met uw GaN-leverancier te overleggen hoe u een oplossing het beste kunt implementeren. Ze kennen alle trucs om veilig de meeste prestaties uit een PA te halen. Eén telefoontje en ze zijn in het lab naast je aan het werk om een ​​ontwerpuitdaging op te lossen.

Vooruitkijken

In het volgende artikel in deze serie zullen we enkele potentiële GaN-innovaties onderzoeken die in de nabije toekomst basisstationtoepassingen zouden kunnen transformeren.