5G e GaN:O que designers incorporados precisam saber

Conforme descrito no artigo anterior desta série, as demandas de energia das estações base 5G abaixo de 6 GHz estão levando a uma mudança de amplificadores LDMOS para soluções baseadas em GaN. A alta densidade de potência, eficiência e suporte de frequência mais amplo o tornam uma solução atraente para muitas aplicações de RF. Como qualquer projetista de sistemas embarcados irá lhe dizer, todo material vem com uma troca. Aproveitar todos os benefícios dos amplificadores de potência GaN RF geralmente exige pequenas mudanças de abordagem, e os resultados valem o esforço.

Antes de explorar as práticas recomendadas de design, vale a pena abordar os equívocos comuns em torno do GaN.

Percepções errôneas de GaN

Custo

O GaN é considerado um custo proibitivo por muitos na comunidade de engenharia. De uma perspectiva estreita que é precisa; Hoje é mais caro produzir GaN do que uma solução de silício puro ou LDMOS. No entanto, isso ignora os ganhos de desempenho que podem compensar os custos adicionais do sistema. A relação preço-desempenho é a figura-chave a ser avaliada. Dependendo da necessidade, GaN pode reduzir os custos gerais de todo o sistema, pois você é capaz de atender às necessidades de energia em um pacote menor. Os pacotes menores não apenas reduzem o tamanho e os custos das placas, mas também os dissipadores de calor, onde podem ser encontradas grandes economias. Os amplificadores GaN multibanda e de banda larga podem substituir vários amplificadores de banda estreita separados em sistemas que podem reduzir ainda mais os custos totais do sistema. Isso não quer dizer que seja o ajuste perfeito para cada aplicativo, mas visto pelas lentes de desempenho por dólar, GaN muitas vezes se traduz em economia. O custo total de propriedade é onde GaN pode mostrar seus benefícios de tecnologia.

Além disso, os volumes de produção de GaN aumentaram dramaticamente. Isso é muito claro no enorme espaço MIMO com o número crescente de PAs usados ​​em um determinado sistema de estação base. À medida que GaN ganha participação de mercado nesses vários submercados - estações base 5G sendo uma das maiores - os fornecedores são capazes de aumentar a produção em massa, reduzindo os custos da cadeia de suprimentos a níveis muito competitivos. Isso significa que o GaN oferece melhor desempenho por um custo mais barato, obtendo uma adoção mais ampla e economias adicionais de escala. O preço do GaN só ficará mais competitivo no futuro.

Nem todo GaN se comporta da mesma maneira

Há um equívoco de que todos os amplificadores de potência GaN são semelhantes o suficiente para serem comoditizados. É uma suposição fácil de fazer vindo de engenheiros que confiaram nas soluções LDMOS. Se você olhar para as características dos dispositivos LDMOS de diferentes fornecedores em um nível de semicondutor, eles são incrivelmente semelhantes. Esse não é o caso no espaço GaN. Cada fornecedor aborda o desenvolvimento de maneira diferente para resolver os desafios de produção de GaN, e isso se traduz em diferentes pontos fortes e fracos. Consequentemente, o GaN de cada fornecedor se comporta de maneira diferente e os fornecedores costumam ter soluções variadas para acomodar seus PAs exclusivos. Os designers incorporados não devem presumir que uma experiência que tiveram com GaN no passado será válida para todos os fornecedores. Coordene em estreita colaboração com seu fornecedor para garantir que você obtenha o máximo de cada GaN PA exclusivo.

Corrente de portão

Projetistas incorporados veem alta corrente de porta em uma planilha de dados para um GaN PA e têm preocupações. Eles presumem que altas correntes de porta causam falhas no dispositivo. A verdade é que o portão alto nem sempre significa que é um problema de confiabilidade. A confiabilidade depende muito da tecnologia e volta ao que foi discutido antes - nem todos os GaN se comportam da mesma forma. Com ajustes de circuitos de polarização simples para acomodar correntes mais altas, a eficiência de energia do sistema e a densidade melhoram substancialmente.

Soluções de design para maximizar o desempenho do GaN

Conforme discutido em artigos anteriores, o GaN oferece maior densidade de potência, eficiência e flexibilidade de frequência. Para aproveitar todo o potencial do semicondutor, no entanto, os designers incorporados devem jogar com as resistências dos materiais. Aqui estão algumas práticas de design de nível de sistema a serem consideradas.

Projeto para Linearização

A maior preocupação para a maioria dos designers incorporados antes de avançar com o GaN é a linearização. Há uma percepção de que GaN é difícil de linearizar. Existem situações em que esse é o caso, mas também existem maneiras gerenciáveis ​​de tratar a deficiência linearizada que atenua os efeitos não lineares e de aprisionamento. Isso pode ser feito com abordagens de design de sistema que colocam o dispositivo no espaço de aplicativo ideal ou algoritmos de software que controlam o desvio de QI e os efeitos de trapping de rastreamento. O ecossistema de fornecedores cresceu para lidar com esses desafios exatos.

Há trabalho que precisa ser feito, mas a recompensa é uma eficiência de energia significativamente melhor. É uma troca que precisa ser considerada. Dependendo da necessidade, alguns designers farão essa troca e outros recorrerão a uma solução LDMOS tradicional.

Embora ainda existam oportunidades para a melhoria da linearidade de GaN, a baixa capacitância dreno-fonte dos transistores de GaN pode oferecer melhores respostas a sinais de largura de banda instantânea ampla e ultralarga, levando a uma melhor linearização geral do sistema para esses sinais. A largura de banda de vídeo também é uma área onde o GaN pode superar as tecnologias concorrentes.

Também é importante notar que a eficiência linear é o principal foco de P&D da indústria de comunicação. Graças às melhorias no processamento digital e no nível do dispositivo, os analistas esperam que a linearização de GaN melhore drasticamente nos próximos três a cinco anos. Não se surpreenda quando as gerações futuras de GaN entregarem linearidade líder de mercado.

Conscientização sobre Dissipação Térmica

Os amplificadores de potência GaN operam em temperaturas que as tecnologias baseadas em silício não podem alcançar, simplificando os requisitos de dissipador de calor e resfriamento dentro de um sistema. No entanto, densidades de calor mais altas podem criar desafios se os designers incorporados não forem cuidadosos, especialmente se o uso de menos PAs de GaN reduziu o tamanho do fator de forma de um sistema. Um sistema menor colocará mais pressão de calor em componentes inesperados.

As equipes de engenharia tendem a se concentrar na temperatura da junção. Uma vez que GaN PAs suportam essa alta temperatura de junção, outras partes do sistema tornam-se o fator limitante. As juntas de solda são um exemplo frequentemente esquecido. Os projetos de sistema precisam levar em conta isso. Os engenheiros são mais bem atendidos reavaliando os requisitos internos de confiabilidade com o conhecimento de que GaN PAs podem trabalhar em temperaturas mais altas e tirar o máximo proveito disso durante o projeto.

Aproveite as vantagens da experiência do fornecedor

Não é surpreendente que os fornecedores conheçam as aplicações ideais de seus próprios produtos, mas os clientes podem ficar chocados com o conhecimento dos engenheiros de aplicação de sistemas embarcados fora de RF. Para ser o mais eficaz possível, um GaN PA precisa funcionar em conjunto com o resto do dispositivo. Isso requer a otimização de todo o produto em torno de elementos como tensões portadoras e de pico. Isso é bastante padrão em todas as tecnologias de PA, mas é importante observar que esse mesmo tipo de espaço de comércio existe para aplicativos GaN.

Ainda assim, alguns clientes não aproveitam ao máximo a equipe de engenheiros de aplicação de um fornecedor. Sempre vale a pena consultar seu fornecedor de GaN sobre a melhor forma de implementar uma solução. Eles saberão todos os truques para obter o máximo desempenho de um PA com segurança. Um rápido telefonema e eles estarão no laboratório próximo a você, trabalhando para resolver um desafio de design.

Olhando para a Frente

No próximo artigo desta série, examinaremos algumas das inovações potenciais de GaN que podem transformar os aplicativos de estação base em um futuro próximo.