5G y GaN:lo que los diseñadores integrados deben saber

Como se describe en el artículo anterior de esta serie, las demandas de potencia de las estaciones base 5G por debajo de 6 GHz están impulsando un cambio de amplificadores LDMOS a soluciones basadas en GaN. La alta densidad de potencia, la eficiencia y el soporte de frecuencia más amplio lo convierten en una solución atractiva para muchas aplicaciones de RF. Como cualquier diseñador de sistemas embebidos le dirá, cada material viene con una compensación. Aprovechar todos los beneficios de los amplificadores de potencia de RF de GaN a menudo requiere pequeños cambios en el enfoque, y los resultados bien merecen el esfuerzo.

Antes de explorar las mejores prácticas de diseño, vale la pena abordar las percepciones erróneas comunes sobre GaN.

Percepciones erróneas de GaN

Costo

Muchos en la comunidad de ingenieros perciben que GaN tiene un costo prohibitivo. Desde una perspectiva estrecha que es precisa; Hoy en día, GaN es más caro de producir que una solución de silicio puro o LDMOS. Sin embargo, eso ignora las ganancias de rendimiento que pueden compensar los costos adicionales del sistema. La relación precio-rendimiento es la cifra clave a evaluar. Dependiendo de la necesidad, GaN puede reducir los costos generales de todo el sistema, ya que puede satisfacer las necesidades de energía en un paquete más pequeño. Los paquetes más pequeños no solo reducen el tamaño y los costos de las placas, sino también los disipadores de calor, donde se pueden encontrar grandes ahorros. Los amplificadores de GaN multibanda y de banda ancha pueden reemplazar varios amplificadores de banda estrecha separados en sistemas que pueden reducir aún más los costos totales del sistema. Eso no quiere decir que sea el ajuste perfecto para cada aplicación, pero visto a través de la lente del rendimiento por dólar, GaN a menudo se traduce en ahorros. El costo total de propiedad es donde GaN puede mostrar sus beneficios tecnológicos.

Además, los volúmenes de producción de GaN han crecido de forma espectacular. Esto es muy claro en el enorme espacio MIMO con el creciente número de PA utilizados en un sistema de estación base determinado. A medida que GaN gana participación de mercado en estos diversos submercados (las estaciones base 5G son una de las más grandes), los proveedores pueden aumentar la producción a granel y reducir los costos de la cadena de suministro a niveles muy competitivos. Esto significa que GaN ofrece un mejor rendimiento a un precio más económico, lo que genera una adopción más amplia y ahorros adicionales de escala. El precio de GaN solo será más competitivo en el futuro.

No todos los GaN se comportan igual

Existe la idea errónea de que todos los amplificadores de potencia de GaN son lo suficientemente similares como para convertirse en productos básicos. Es una suposición fácil a partir de ingenieros que han confiado en las soluciones LDMOS. Si observa las características de los dispositivos LDMOS de diferentes proveedores a nivel de semiconductores, son increíblemente similares. Ese no es el caso en el espacio de GaN. Cada proveedor enfoca el desarrollo de manera diferente para resolver los desafíos de producción de GaN, y eso se traduce en diferentes fortalezas y debilidades. En consecuencia, GaN de cada proveedor se comporta de manera diferente, y los proveedores a menudo tienen soluciones variadas para adaptarse a sus PA únicos. Los diseñadores integrados no deben asumir que una experiencia que hayan tenido con GaN en el pasado será válida para todos los proveedores. Coordine estrechamente con su proveedor para asegurarse de aprovechar al máximo cada GaN PA exclusivo.

Corriente de puerta

Los diseñadores integrados ven una corriente de puerta alta en una hoja de datos para un PA de GaN y tienen inquietudes. Suponen que las altas corrientes de puerta provocan fallas en los dispositivos. La verdad es que la puerta alta no siempre significa que sea un problema de confiabilidad. La confiabilidad depende en gran medida de la tecnología, y vuelve a lo que se discutió antes:no todos los GaN se comportan de la misma manera. Con ajustes simples de circuitos de polarización para adaptarse a corrientes más altas, tanto la eficiencia energética del sistema como la densidad mejoran sustancialmente.

Soluciones de diseño para maximizar el rendimiento de GaN

Como se discutió en artículos anteriores, GaN ofrece una mayor densidad de potencia, eficiencia y flexibilidad de frecuencia. Sin embargo, para aprovechar todo el potencial de los semiconductores, los diseñadores integrados deben aprovechar las ventajas de los materiales. A continuación, se muestran algunas prácticas de diseño a nivel de sistemas que se deben tener en cuenta.

Diseño para linealización

La mayor preocupación para la mayoría de los diseñadores integrados antes de avanzar con GaN es la linealización. Existe la percepción de que GaN es difícil de linealizar. Hay situaciones en las que ese es el caso, pero también hay formas manejables de abordar la deficiencia linealizada que mitigan los efectos no lineales y de captura. Se puede hacer con enfoques de diseño de sistemas que colocan el dispositivo en el espacio de aplicación ideal, o algoritmos de software que controlan la deriva del IQ y los efectos de captura de seguimiento. El ecosistema de proveedores ha crecido para abordar estos desafíos exactos.

Hay trabajo por hacer, pero la recompensa es una eficiencia energética significativamente mejor. Es una compensación que debe tenerse en cuenta. Dependiendo de la necesidad, algunos diseñadores harán ese intercambio y otros recurrirán a una solución LDMOS tradicional.

Si bien aún existen oportunidades para la mejora de la linealidad de GaN, la capacitancia de fuente de drenaje baja de los transistores de GaN puede ofrecer mejores respuestas a señales de ancho de banda instantáneas amplias y ultraanchas, lo que lleva a una mejor linealización general del sistema para esas señales. El ancho de banda de video también es un área en la que GaN puede superar a las tecnologías de la competencia.

También vale la pena señalar que la eficiencia lineal es el principal enfoque de I + D de la industria de las comunicaciones. Gracias al procesamiento digital y las mejoras a nivel de dispositivo, los analistas esperan que la linealización de GaN mejore drásticamente en los próximos tres a cinco años. No se sorprenda cuando las generaciones futuras de GaN ofrezcan una linealidad líder en el mercado.

Concienciación sobre la disipación térmica

Los amplificadores de potencia de GaN funcionan a temperaturas que las tecnologías basadas en silicio no pueden alcanzar, lo que simplifica los requisitos de enfriamiento y disipación de calor dentro de un sistema. Sin embargo, las densidades de calor más altas pueden crear desafíos si los diseñadores integrados no son cuidadosos, especialmente si el uso de menos PA de GaN ha reducido el tamaño del factor de forma de un sistema. Un sistema más pequeño ejercerá más presión de calor sobre componentes inesperados.

Los equipos de ingeniería tienden a centrarse en la temperatura de la unión. Dado que los PA de GaN soportan una temperatura de unión tan alta, otras partes del sistema se convierten en el factor limitante. Las juntas de soldadura son un ejemplo que a menudo se pasa por alto. Los diseños de sistemas deben tener en cuenta esto. La mejor manera de ayudar a los ingenieros es reevaluar los requisitos de confiabilidad internos con el conocimiento de que los PA de GaN pueden funcionar a temperaturas más altas y aprovecharlo al máximo durante el diseño.

Aproveche la experiencia de los proveedores

No es sorprendente que los proveedores conozcan las aplicaciones ideales de su propio producto, pero los clientes pueden sorprenderse con el conocimiento de los ingenieros de aplicaciones de los sistemas integrados fuera de RF. Para ser lo más eficaz posible, un GaN PA debe funcionar en conjunto con el resto del dispositivo. Eso requiere una optimización completa del producto en torno a elementos como el portador y los voltajes máximos. Esto es bastante estándar en todas las tecnologías de AP, pero es importante tener en cuenta que este mismo tipo de espacio comercial existe para las aplicaciones de GaN.

Sin embargo, algunos clientes no aprovechan al máximo el equipo de ingenieros de aplicaciones de un proveedor. Siempre vale la pena consultar a su proveedor de GaN sobre la mejor manera de implementar una solución. Conocerán todos los trucos para obtener el máximo rendimiento de un PA de forma segura. Una llamada telefónica rápida y estarán en el laboratorio junto a usted trabajando para resolver un desafío de diseño.

Mirando hacia el futuro

En el próximo artículo de esta serie, examinaremos algunas de las posibles innovaciones de GaN que podrían transformar las aplicaciones de estaciones base en un futuro próximo.