高功率密度、高效率和更寬的頻率支持使基于 GaN 的解決方案成為適合許多射頻應(yīng)用的優(yōu)良選擇。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員都知道，每一種材料都必須權(quán)衡利弊。在探討最佳設(shè)計實踐之前，有必要澄清關(guān)于 GaN 的一些常見誤解。

如本系列前一篇文章中所述，6GHz 以下 5G 基站的功率需求正在推動 LDMOS 放大器向基于 GaN 的解決方案轉(zhuǎn)變。高功率密度、高效率和更寬的頻率支持使基于 GaN 的解決方案成為適合許多射頻應(yīng)用的優(yōu)良選擇。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員都知道，每一種材料都必須權(quán)衡利弊。要想充分利用 GaN 射頻功率放大器的優(yōu)勢，我們需要對常規(guī)方法稍微做點調(diào)整，相信最終結(jié)果不會讓我們失望。

在探討最佳設(shè)計實踐之前，有必要澄清關(guān)于 GaN 的一些常見誤解。

對GaN認(rèn)識的幾大誤解

成本

在工程界，人們都認(rèn)為 GaN 成本過高。從比較狹隘的角度來看，這沒錯；與純硅或 LDMOS 解決方案相比，目前生產(chǎn) GaN 的成本更高。但是，這種說法忽略了可以消減額外系統(tǒng)成本的性能好處。性價比是關(guān)鍵的評估指標(biāo)。

根據(jù)需要，GaN 可以降低整個系統(tǒng)的總成本，因為可以使用更小的封裝來滿足功率需求。更小的封裝不僅可以縮小電路板尺寸，降低成本，還可以節(jié)省大量的散熱器成本。多頻段和寬帶 GaN 放大器可取代系統(tǒng)中的多個獨立窄帶放大器，從而進一步降低系統(tǒng)的總成本。

這并不是說它完全適合所有應(yīng)用，但從單位成本的性價比角度來看，GaN 通常可以節(jié)省成本?？倱碛谐杀臼?GaN 可以展示其技術(shù)優(yōu)勢的一個方面。

此外，GaN 的產(chǎn)量正在大幅增長。鑒于基站系統(tǒng)中使用的 PA 數(shù)量不斷增加，這在大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用中非常明顯。隨著 GaN 在這些不同子市場（5G 基站是其中一個規(guī)模較大的子市場）的市場份額開始增加，供應(yīng)商可擴大生產(chǎn)規(guī)模，同時將供應(yīng)鏈成本降至極具競爭力的水平。

這意味著，GaN 能夠以更低的成本提供更高的性能，同時獲得更廣泛的采用，并節(jié)省大量成本。GaN 的價格在未來只會越來越具競爭力。

并非所有 GaN 都一樣

有一種誤解認(rèn)為，所有的 GaN 功率放大器都相似，足以實現(xiàn)商品化。一直依賴 LDMOS 解決方案的工程師容易做出這樣的假設(shè)。如果從半導(dǎo)體層面來看不同供應(yīng)商的 LDMOS 器件性能，就會發(fā)現(xiàn)它們驚人地相似。

但在 GaN 領(lǐng)域卻不盡然。每家供應(yīng)商都采用不同的解決方案來應(yīng)對 GaN 量產(chǎn)的挑戰(zhàn)，而這就意味著不同供應(yīng)商的 GaN 器件存在不同的優(yōu)缺點。因此，每家供應(yīng)商的 GaN 器件性能各不相同，并且供應(yīng)商通常會提供不同的解決方案，以滿足其獨特的 PA 需求。

嵌入式設(shè)計人員不應(yīng)該認(rèn)為他們過去使用 GaN 的經(jīng)驗對所有供應(yīng)商都適用。與供應(yīng)商密切合作可確保充分利用每個獨一無二的 GaN PA。

柵極電流高會引起故障

嵌入式設(shè)計人員發(fā)現(xiàn) GaN PA 的數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)較高的柵極電流，并為此擔(dān)憂。他們認(rèn)為高柵極電流會導(dǎo)致器件故障。事實上，高柵極電流并不一定意味著可靠性問題?？煽啃栽诤艽蟪潭壬先Q于技術(shù)，這又回到了之前討論的問題——并非所有 GaN 都具有相同性能。通過簡單調(diào)整偏置電路以適應(yīng)更高電流，可顯著提高系統(tǒng)功率效率和功率密度。

最大化GaN性能的設(shè)計方案

如前一篇文章中所述，GaN 可提高功率密度、效率和頻率靈活性。然而，要想充分利用器件的潛力，嵌入式設(shè)計人員應(yīng)發(fā)揮材料的優(yōu)勢。下面我們來討論一下需要考慮的一些系統(tǒng)級設(shè)計最佳實踐。

線性化設(shè)計

在使用 GaN 之前，大多數(shù)嵌入式設(shè)計人員最關(guān)心的問題就是線性化。有人認(rèn)為 GaN 很難進行線性化。在某些情況下確實如此，但也可以通過一些可控方式來解決其線性化缺陷，從而減少非線性和俘獲效應(yīng)。通過將器件置于理想應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計方法，或通過控制 IQ 漂移和跟蹤俘獲效應(yīng)的軟件算法，可以實現(xiàn)較好的線性。供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展至足以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

雖然還有許多問題要解決，但其好處在于可顯著提高功率效率。這一點需要權(quán)衡考慮。根據(jù)需要，某些設(shè)計人員會采取這種新方法，而某些設(shè)計人員則會轉(zhuǎn)而使用傳統(tǒng)的 LDMOS 解決方案。

盡管仍有機會改進 GaN 的線性度，但漏極-源極電容較低的 GaN 晶體管可更好地響應(yīng)較寬和超寬瞬時帶寬信號，從而提高這些信號的整體系統(tǒng)線性。視頻帶寬應(yīng)用也是 GaN 性能可以超越其它競爭技術(shù)的一個方面。

值得注意的是，線性效率是通信行業(yè)的研發(fā)重點。由于數(shù)字處理和器件級的改進，分析人士預(yù)計GaN線性化將在未來三到五年內(nèi)得到顯著改善。當(dāng)未來幾代 GaN 具有市場領(lǐng)先的線性度時，請不要感到驚訝。

散熱感知能力

GaN 功率放大器可在硅基技術(shù)無法達到的溫度下工作，從而簡化了系統(tǒng)內(nèi)的散熱和冷卻要求。然而，如果嵌入式設(shè)計人員不夠仔細(xì)，尤其是如果使用更少的 GaN PA 縮小系統(tǒng)的外形尺寸，那么更高的熱密度可能會帶來一定挑戰(zhàn)。小型系統(tǒng)會給器件帶來更大的散熱壓力。

工程團隊往往會關(guān)注結(jié)溫。GaN PA 可支持很高的結(jié)溫，因而系統(tǒng)的其他部分則會成為阻礙因素。焊點就是一個經(jīng)常被忽略的例子。系統(tǒng)設(shè)計需要考慮這一點。由于 GaN PA 可以在更高溫度下運行，工程師最好重新評估內(nèi)部可靠性要求，并在設(shè)計過程中充分利用這一點。

充分利用供應(yīng)商的專業(yè)知識

供應(yīng)商清楚其產(chǎn)品的理想應(yīng)用條件并不奇怪，但應(yīng)用工程師擁有射頻以外的嵌入式系統(tǒng)知識可能會讓客戶感到震驚。為了盡可能提高效率，GaN PA 需要與設(shè)計系統(tǒng)的其它器件協(xié)同工作。這就要求圍繞載波和峰值電壓等要素對整個產(chǎn)品進行優(yōu)化。這其實是 PA 技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，但值得注意的是，GaN 應(yīng)用也存在同樣的權(quán)衡空間。

然而，一些客戶并未充分利用供應(yīng)商的應(yīng)用工程師團隊。關(guān)于如何最好地實施解決方案，向 GaN 器件供應(yīng)商咨詢是值得的。他們清楚以安全的方式充分利用 PA 性能的所有技巧。只需一個電話，他們就會在實驗室里與您一起解決設(shè)計難題。

編輯：jq