5G und GaN:Was Embedded-Designer wissen müssen

Wie im vorherigen Artikel dieser Serie beschrieben, treibt der Leistungsbedarf von Sub-6-GHz-5G-Basisstationen eine Verschiebung von LDMOS-Verstärkern zu GaN-basierten Lösungen voran. Die hohe Leistungsdichte, Effizienz und breitere Frequenzunterstützung machen es zu einer überzeugenden Lösung für viele HF-Anwendungen. Wie Ihnen jeder Designer für eingebettete Systeme sagen wird, ist jedes Material mit einem Kompromiss verbunden. Um die Vorteile von GaN-HF-Leistungsverstärkern voll auszuschöpfen, sind oft kleine Änderungen im Ansatz erforderlich, wobei die Ergebnisse die Mühe wert sind.

Bevor Sie sich mit den Best Practices für das Design auseinandersetzen, lohnt es sich, die häufigen Fehleinschätzungen in Bezug auf GaN anzugehen.

Fehlwahrnehmungen von GaN

Kosten

GaN wird von vielen Ingenieuren als unerschwinglich empfunden. Aus einer engen Perspektive ist das richtig; GaN ist heute in der Herstellung teurer als eine reine Silizium- oder LDMOS-Lösung. Dabei werden jedoch die Leistungssteigerungen ignoriert, die zusätzliche Systemkosten ausgleichen können. Das Preis-Leistungs-Verhältnis ist die zu bewertende Kennzahl. Je nach Bedarf kann GaN die Gesamtkosten des gesamten Systems senken, da Sie den Strombedarf in einem kleineren Paket decken können. Die kleineren Gehäuse reduzieren nicht nur Platinengrößen und -kosten, sondern auch die Kühlkörper, bei denen große Einsparungen zu finden sind. Multiband- und Breitband-GaN-Verstärker können mehrere separate Schmalbandverstärker in Systemen ersetzen, die die Gesamtsystemkosten weiter senken können. Das soll nicht heißen, dass es perfekt für jede Anwendung geeignet ist, aber durch die Linse der Leistung pro Dollar betrachtet, führt GaN oft zu Einsparungen. Bei den Gesamtbetriebskosten kann GaN seine technologischen Vorteile ausspielen.

Darüber hinaus sind die Produktionsmengen von GaN dramatisch gestiegen. Dies ist im massiven MIMO-Raum mit der zunehmenden Anzahl von PAs, die in einem gegebenen Basisstationssystem verwendet werden, sehr deutlich. Da GaN Marktanteile in diesen verschiedenen Teilmärkten gewinnt – 5G-Basisstationen sind einer der größeren – können Lieferanten die Massenproduktion steigern und die Kosten der Lieferkette auf ein sehr wettbewerbsfähiges Niveau senken. Das bedeutet, dass GaN eine bessere Leistung zu einem günstigeren Preis bietet, eine breitere Akzeptanz und zusätzliche Einsparungen durch Skaleneffekte erzielt. Der Preis von GaN wird in Zukunft nur noch wettbewerbsfähiger.

Nicht alle GaN verhalten sich gleich

Es besteht ein Irrglaube, dass alle GaN-Leistungsverstärker ähnlich genug sind, um als Massenware verwendet zu werden. Dies ist eine einfache Annahme von Ingenieuren, die sich auf LDMOS-Lösungen verlassen haben. Wenn man sich die Eigenschaften von LDMOS-Bauelementen verschiedener Hersteller auf Halbleiterebene ansieht, sind sie sich unglaublich ähnlich. Dies ist im GaN-Raum nicht der Fall. Jeder Anbieter geht die Entwicklung anders an, um die Herausforderungen der GaN-Produktion zu lösen, und das führt zu unterschiedlichen Stärken und Schwächen. Folglich verhält sich GaN von jedem Anbieter unterschiedlich, und Anbieter haben oft unterschiedliche Lösungen für ihre einzigartigen PAs. Embedded-Designer sollten nicht davon ausgehen, dass ihre Erfahrungen mit GaN in der Vergangenheit für alle Anbieter gelten. Stimmen Sie sich eng mit Ihrem Lieferanten ab, um sicherzustellen, dass Sie jede einzelne GaN-PA optimal nutzen.

Gate-Aktuell

Embedded-Designer sehen auf einem Datenblatt für einen GaN-PA einen hohen Gate-Strom und haben Bedenken. Sie gehen davon aus, dass hohe Gate-Ströme Geräteausfälle verursachen. Die Wahrheit ist, dass High Gate nicht immer bedeutet, dass es sich um ein Zuverlässigkeitsproblem handelt. Die Zuverlässigkeit hängt stark von der Technologie ab, und es kommt auf das zurück, was zuvor diskutiert wurde – nicht jedes GaN verhält sich gleich. Durch einfache Anpassungen der Vorspannungsschaltungen zur Anpassung an höhere Ströme verbessern sich sowohl die Energieeffizienz als auch die Dichte des Systems erheblich.

Entwickeln Sie Lösungen zur Maximierung der GaN-Leistung

Wie in früheren Artikeln besprochen, bietet GaN eine höhere Leistungsdichte, Effizienz und Frequenzflexibilität. Um das volle Potenzial des Halbleiters auszuschöpfen, sollten Embedded-Designer jedoch die Stärken des Materials ausspielen. Hier sind einige Designpraktiken auf Systemebene, die Sie berücksichtigen sollten.

Design für die Linearisierung

Die größte Sorge der meisten Embedded-Designer vor der Weiterentwicklung von GaN ist die Linearisierung. Es besteht die Auffassung, dass GaN schwer zu linearisieren ist. Es gibt Situationen, in denen dies der Fall ist, aber es gibt auch handhabbare Wege, um linearisierte Mängel zu beheben, die nichtlineare und Einfangeffekte abschwächen. Dies kann mit Systemdesignansätzen erfolgen, die das Gerät in den idealen Anwendungsbereich bringen, oder Softwarealgorithmen, die die IQ-Drift steuern und Einfangeffekte verfolgen. Das Anbieter-Ökosystem ist gewachsen, um genau diese Herausforderungen zu bewältigen.

Es gibt viel zu tun, aber der Lohn ist eine deutlich bessere Energieeffizienz. Es ist ein Kompromiss, der berücksichtigt werden muss. Je nach Bedarf werden einige Designer diesen Trade eingehen und andere greifen auf eine traditionelle LDMOS-Lösung zurück.

Obwohl noch Möglichkeiten zur Verbesserung der GaN-Linearität bestehen, kann die niedrige Drain-Source-Kapazität von GaN-Transistoren bessere Reaktionen auf Signale mit großer und ultrabreiter Momentanbandbreite bieten, was zu einer besseren Gesamtsystemlinearisierung für diese Signale führt. Die Videobandbreite ist auch ein Bereich, in dem GaN konkurrierende Technologien übertreffen kann.

Es ist auch erwähnenswert, dass die lineare Effizienz der primäre F&E-Schwerpunkt der Kommunikationsbranche ist. Dank sowohl der digitalen Verarbeitung als auch der Verbesserungen auf Geräteebene erwarten Analysten, dass sich die GaN-Linearisierung in den nächsten drei bis fünf Jahren dramatisch verbessern wird. Seien Sie nicht überrascht, wenn zukünftige GaN-Generationen marktführende Linearität liefern.

Wahrnehmung der Wärmeableitung

GaN-Leistungsverstärker arbeiten bei Temperaturen, die siliziumbasierte Technologien nicht erreichen können, wodurch die Kühlkörper- und Kühlanforderungen innerhalb eines Systems vereinfacht werden. Höhere Wärmedichten können jedoch zu Herausforderungen führen, wenn Embedded-Designer nicht aufpassen, insbesondere wenn die Verwendung von weniger GaN-PAs die Größe des Formfaktors eines Systems reduziert hat. Ein kleineres System übt mehr Hitzedruck auf unerwartete Komponenten aus.

Ingenieurteams konzentrieren sich in der Regel auf die Sperrschichttemperatur. Da GaN-PAs eine so hohe Sperrschichttemperatur unterstützen, werden andere Teile des Systems zum limitierenden Faktor. Lötstellen sind ein oft übersehenes Beispiel. Dem müssen Systemkonzepte Rechnung tragen. Ingenieuren sind am besten gedient, wenn sie die internen Zuverlässigkeitsanforderungen mit dem Wissen neu bewerten, dass GaN-PAs bei höheren Temperaturen arbeiten und dies während des Designs voll ausnutzen können.

Nutzen Sie die Expertise der Lieferanten

Es überrascht nicht, dass Anbieter die idealen Anwendungen ihres eigenen Produkts kennen, aber Kunden können schockiert sein, wenn Anwendungsingenieure das Wissen der Anwendungstechniker über eingebettete Systeme außerhalb von RF kennen. Um so effektiv wie möglich zu sein, muss eine GaN-PA mit dem Rest des Geräts zusammenarbeiten. Dies erfordert eine vollständige Produktoptimierung rund um Elemente wie Träger- und Spitzenspannungen. Dies ist bei allen PA-Technologien ziemlich Standard, aber es ist wichtig zu beachten, dass dieselbe Art von Handelsraum für GaN-Anwendungen existiert.

Dennoch nutzen einige Kunden das Anwendungstechniker-Team eines Anbieters nicht voll aus. Es lohnt sich immer, Ihren GaN-Lieferanten zu konsultieren, um eine Lösung am besten zu implementieren. Sie kennen alle Tricks, um sicher die maximale Leistung aus einer PA herauszuholen. Ein kurzer Anruf genügt und sie werden im Labor neben Ihnen an der Lösung einer Design-Herausforderung arbeiten.

Nach vorne schauen

Im nächsten Artikel dieser Serie werden wir einige potenzielle GaN-Innovationen untersuchen, die in naher Zukunft Basisstationsanwendungen verändern könnten.