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動從 LDMOS 放大器轉(zhuǎn)向基于 GaN 的解決方案。高功率密度、效率和更廣泛的頻率支持使其成為許多射頻應用的引人注目的解決方案。正如任何嵌入式系統(tǒng)設計師都會告訴您的那樣，每種材料都需要權衡取舍。要充分利用 GaN 射頻功率放大器的全部優(yōu)勢，通常需要在方法上進行小幅轉(zhuǎn)變，結果非常值得付出努力。

在探索設計最佳實踐之前，有必要先解決關于 GaN 的常見誤解。

對 GaN 的誤解

成本

工程界的許多人認為 GaN 的成本過高。從狹隘的角度來看是準確的；如今，GaN 的生產(chǎn)成本高于純硅或 LDMOS 解決方案。但是，這忽略了可以抵消額外系統(tǒng)成本的性能提升。性價比是評價的關鍵指標。根據(jù)需要，GaN 可能會降低整個系統(tǒng)的總成本，因為您能夠在更小的封裝中滿足功率需求。更小的封裝不僅減少了電路板尺寸和成本，而且還減少了可以大量節(jié)省的散熱器。多頻帶和寬帶 GaN 放大器可以替代系統(tǒng)中的多個單獨的窄帶放大器，從而進一步降低系統(tǒng)總成本。這并不是說它完全適合每個應用程序，而是從每美元性能的角度來看，GaN 通常轉(zhuǎn)化為節(jié)省?？倱碛谐杀臼?GaN 可以展示其技術優(yōu)勢的地方。

此外，GaN 產(chǎn)量大幅增長。隨著給定基站系統(tǒng)中使用的 PA 數(shù)量不斷增加，這在大規(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 基站是較大的市場之一——供應商能夠擴大批量生產(chǎn)，將供應鏈成本降低到極具競爭力的水平。這意味著 GaN 以更便宜的價格提供更好的性能，獲得更廣泛的采用和額外的規(guī)模節(jié)省。GaN 的價格只會在未來變得更具競爭力。

并非所有 GaN 的行為都相同

存在一種誤解，認為所有 GaN 功率放大器都足夠相似，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。如果您從半導體級別查看來自不同供應商的 LDMOS 器件的特性，它們非常相似。在 GaN 領域并非如此。每個供應商以不同的方式開發(fā)以解決 GaN 生產(chǎn)挑戰(zhàn)，這意味著不同的優(yōu)勢和劣勢。因此，每個供應商的 GaN 表現(xiàn)不同，供應商通常有不同的解決方案來適應他們獨特的 PA。嵌入式設計人員不應假設他們過去使用 GaN 的經(jīng)驗適用于所有供應商。與您的供應商密切協(xié)調(diào)，確保您充分利用每個獨特的 GaN PA。

柵極電流

嵌入式設計人員在 GaN PA 的數(shù)據(jù)表上看到了高柵極電流并產(chǎn)生了擔憂。他們假設高柵極電流會導致器件故障。事實是，高門并不總是意味著這是一個可靠性問題?？煽啃苑浅Ｒ蕾囉诩夹g，這又回到了之前討論的內(nèi)容——并非所有 GaN 的行為都相同。通過簡單的偏置電路調(diào)整來適應更高的電流，系統(tǒng)功率效率和密度都得到了顯著提高。

最大化 GaN 性能的設計解決方案

如前幾篇文章所述，GaN 提供了更高的功率密度、效率和頻率靈活性。然而，為了充分利用半導體的潛力，嵌入式設計人員應該發(fā)揮材料的優(yōu)勢。以下是一些需要考慮的系統(tǒng)級設計實踐。

線性化設計

在采用 GaN 之前，大多數(shù)嵌入式設計人員最關心的問題是線性化。有一種看法認為 GaN 難以線性化。在某些情況下會出現(xiàn)這種情況，但也有一些可管理的方法來解決線性化缺陷，從而減輕非線性和陷阱效應?？梢酝ㄟ^將設備置于理想應用空間的系統(tǒng)設計方法或控制 IQ 漂移和跟蹤陷印效應的軟件算法來完成。供應商生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展以應對這些確切的挑戰(zhàn)。

有一些工作需要完成，但回報是顯著提高電源效率。這是一個需要考慮的權衡。根據(jù)需要，一些設計人員會進行這種交易，而其他設計人員將退回到傳統(tǒng)的 LDMOS 解決方案。

雖然 GaN 線性度改進的機會仍然存在，但 GaN 晶體管的低漏源電容可以為寬和超寬瞬時帶寬信號提供更好的響應，從而為這些信號帶來更好的整體系統(tǒng)線性化。視頻帶寬也是 GaN 可以超越競爭技術的一個領域。

還值得注意的是，線性效率是通信行業(yè)的主要研發(fā)重點。由于數(shù)字處理和器件級的改進，分析師預計 GaN 線性化將在未來三到五年內(nèi)顯著改善。當下一代 GaN 提供市場領先的線性度時，請不要感到驚訝。

散熱意識

GaN功率放大器在硅基技術無法達到的溫度下工作，簡化了系統(tǒng)內(nèi)的散熱和冷卻要求。然而，如果嵌入式設計人員不小心，更高的熱密度可能會帶來挑戰(zhàn)，尤其是如果使用更少的GaN-PA降低了系統(tǒng)的尺寸。較小的系統(tǒng)將對意外組件施加更大的熱壓。

工程團隊傾向于關注結溫。由于GaN-PA支持如此高的結溫，系統(tǒng)的其他部分成為限制因素。焊點是一個經(jīng)常被忽視的例子。系統(tǒng)設計需要考慮到這一點。利用GaN-PA可以在更高溫度下工作的知識，重新評估內(nèi)部可靠性要求，并在設計過程中充分利用這一點，最有利于工程師。

利用供應商的專業(yè)知識

供應商知道自己產(chǎn)品的理想應用并不奇怪，但應用工程師對射頻之外的嵌入式系統(tǒng)的了解可能會讓客戶感到震驚。為了盡可能有效，GaN-PA需要與設備的其余部分協(xié)同工作。這需要圍繞載波和峰值電壓等要素對整個產(chǎn)品進行優(yōu)化。這在PA技術中是相當標準的，但需要注意的是，對于GaN應用來說，存在著相同類型的交易空間。

盡管如此，一些客戶并沒有充分利用供應商的應用工程師團隊。就如何最好地實施解決方案，咨詢您的GaN供應商總是值得的。他們將知道安全地獲得PA最大性能的所有技巧。一個快速的電話，他們就會在你旁邊的實驗室工作，解決一個設計挑戰(zhàn)。

展望未來

在本系列的下一篇文章中，我們將研究一些可能在不久的將來改變基站應用的潛在GaN創(chuàng)新。

審核編輯 黃昊宇