5G et GaN :ce que les concepteurs embarqués doivent savoir

Comme décrit dans l'article précédent de cette série, les demandes de puissance des stations de base 5G inférieures à 6 GHz entraînent un passage des amplificateurs LDMOS aux solutions basées sur GaN. La densité de puissance élevée, l'efficacité et la prise en charge de fréquences plus larges en font une solution convaincante pour de nombreuses applications RF. Comme tout concepteur de systèmes embarqués vous le dira, chaque matériau comporte un compromis. Exploiter tous les avantages des amplificateurs de puissance RF GaN nécessite souvent de petits changements d'approche, les résultats en valent la peine.

Avant d'explorer les meilleures pratiques de conception, il vaut la peine d'aborder les idées fausses courantes concernant GaN.

Perceptions erronées du GaN

Coût

Le GaN est perçu comme étant d'un coût prohibitif par de nombreux membres de la communauté des ingénieurs. D'un point de vue étroit, c'est exact ; Le GaN est aujourd'hui plus cher à produire qu'une solution de silicium pur ou LDMOS. Cependant, cela ignore les gains de performances qui peuvent compenser les coûts système supplémentaires. Le rapport qualité-prix est le chiffre clé à évaluer. Selon les besoins, GaN peut réduire les coûts globaux de l'ensemble du système, car vous êtes en mesure de répondre aux besoins en énergie dans un boîtier plus petit. Les boîtiers plus petits réduisent non seulement la taille et les coûts des cartes, mais également les dissipateurs thermiques où de grosses économies peuvent être réalisées. Les amplificateurs GaN multibande et large bande peuvent remplacer plusieurs amplificateurs à bande étroite séparés dans des systèmes qui peuvent encore réduire les coûts totaux du système. Cela ne veut pas dire que c'est la solution idéale pour chaque application, mais vu du point de vue des performances par dollar, GaN se traduit souvent par des économies. Le coût total de possession est l'endroit où GaN peut montrer ses avantages technologiques.

De plus, les volumes de production de GaN ont considérablement augmenté. Ceci est très clair dans l'espace MIMO massif avec le nombre croissant de PA utilisés dans un système de station de base donné. Au fur et à mesure que GaN gagne des parts de marché sur ces différents sous-marchés – les stations de base 5G étant l'un des plus grands – les fournisseurs sont en mesure d'augmenter la production en vrac, ce qui réduit les coûts de la chaîne d'approvisionnement à des niveaux très compétitifs. Cela signifie que GaN offre de meilleures performances pour moins cher, générant une adoption plus large et des économies supplémentaires d'échelle. Le prix du GaN ne fera que devenir plus compétitif à l'avenir.

Tous les GaN ne se comportent pas de la même manière

Il existe une idée fausse selon laquelle tous les amplificateurs de puissance GaN sont suffisamment similaires pour être banalisés. C'est une hypothèse facile à faire venant d'ingénieurs qui se sont appuyés sur des solutions LDMOS. Si vous regardez les caractéristiques des dispositifs LDMOS de différents fournisseurs au niveau des semi-conducteurs, ils sont incroyablement similaires. Ce n'est pas le cas dans l'espace GaN. Chaque fournisseur aborde le développement différemment pour résoudre les problèmes de production de GaN, et cela se traduit par des forces et des faiblesses différentes. Par conséquent, le GaN de chaque fournisseur se comporte différemment, et les fournisseurs ont souvent des solutions variées pour s'adapter à leurs PA uniques. Les concepteurs embarqués ne doivent pas supposer qu'une expérience qu'ils ont eue avec GaN dans le passé sera valable pour tous les fournisseurs. Coordonnez-vous étroitement avec votre fournisseur pour vous assurer de tirer le meilleur parti de chaque PA GaN unique.

Gate Current

Les concepteurs embarqués voient un courant de grille élevé sur une fiche technique d'un PA GaN et ont des inquiétudes. Ils supposent que des courants de grille élevés provoquent des défaillances de l'appareil. La vérité est que la porte élevée ne signifie pas toujours qu'il s'agit d'un problème de fiabilité. La fiabilité est très dépendante de la technologie, et cela revient à ce qui a été discuté auparavant - tous les GaN ne se comportent pas de la même manière. Avec de simples ajustements des circuits de polarisation pour s'adapter à des courants plus élevés, l'efficacité énergétique et la densité du système s'améliorent considérablement.

Concevoir des solutions pour maximiser les performances GaN

Comme indiqué dans les articles précédents, le GaN offre une densité de puissance, une efficacité et une flexibilité de fréquence accrues. Cependant, pour exploiter tout le potentiel du semi-conducteur, les concepteurs embarqués doivent jouer sur les points forts des matériaux. Voici quelques pratiques de conception au niveau des systèmes à prendre en compte.

Conception pour la linéarisation

La plus grande préoccupation de la plupart des concepteurs embarqués avant d'aller de l'avant avec GaN est la linéarisation. Il existe une perception selon laquelle le GaN est difficile à linéariser. Il existe des situations où c'est le cas, mais il existe également des moyens gérables de remédier aux déficiences linéarisées qui atténuent les effets non linéaires et de piégeage. Cela peut être fait avec des approches de conception de système qui placent l'appareil dans l'espace d'application idéal, ou des algorithmes logiciels qui contrôlent la dérive du QI et suivent les effets de piégeage. L'écosystème des fournisseurs s'est développé pour relever ces défis précis.

Il y a du travail à faire, mais le gain est une efficacité énergétique nettement meilleure. C'est un compromis qui doit être pris en compte. En fonction des besoins, certains concepteurs feront ce métier et d'autres se rabattront sur une solution LDMOS traditionnelle.

Bien qu'il existe encore des possibilités d'amélioration de la linéarité GaN, la faible capacité drain-source des transistors GaN peut offrir de meilleures réponses aux signaux à bande passante instantanée large et ultralarge, conduisant à une meilleure linéarisation globale du système pour ces signaux. La bande passante vidéo est également un domaine dans lequel GaN peut surpasser les technologies concurrentes.

Il convient également de noter que l'efficacité linéaire est le principal objectif de R&D de l'industrie de la communication. Grâce aux améliorations apportées à la fois au traitement numérique et au niveau des appareils, les analystes s'attendent à ce que la linéarisation du GaN s'améliore considérablement au cours des trois à cinq prochaines années. Ne soyez pas surpris lorsque les futures générations de GaN offriront une linéarité à la pointe du marché.

Conscience de la dissipation thermique

Les amplificateurs de puissance GaN fonctionnent à des températures que les technologies à base de silicium ne peuvent pas atteindre, simplifiant les exigences en matière de dissipateur thermique et de refroidissement au sein d'un système. Cependant, des densités thermiques plus élevées peuvent créer des problèmes si les concepteurs embarqués ne font pas attention, en particulier si l'utilisation de moins de PA GaN a réduit la taille du facteur de forme d'un système. Un système plus petit mettra plus de pression thermique sur les composants inattendus.

Les équipes d'ingénierie ont tendance à se concentrer sur la température de jonction. Étant donné que les PA GaN supportent une température de jonction aussi élevée, d'autres parties du système deviennent le facteur limitant. Les joints de soudure sont un exemple souvent négligé. Les conceptions du système doivent en tenir compte. Les ingénieurs sont mieux servis en réévaluant les exigences de fiabilité internes en sachant que les PA GaN peuvent fonctionner à des températures plus élevées et en tirer pleinement parti lors de la conception.

Profitez de l'expertise des fournisseurs

Il n'est pas surprenant que les fournisseurs connaissent les applications idéales de leur propre produit, mais les clients peuvent être choqués par la connaissance des ingénieurs d'application des systèmes embarqués hors RF. Pour être aussi efficace que possible, un PA GaN doit fonctionner de concert avec le reste de l'appareil. Cela nécessite une optimisation complète du produit autour d'éléments tels que les tensions de support et de crête. C'est assez standard pour toutes les technologies de sonorisation, mais il est important de noter que ce même type d'espace commercial existe pour les applications GaN.

Pourtant, certains clients ne tirent pas pleinement parti de l'équipe d'ingénieurs d'application d'un fournisseur. Il vaut toujours la peine de consulter votre fournisseur GaN sur la meilleure façon de mettre en œuvre une solution. Ils connaîtront toutes les astuces pour tirer le meilleur parti d'un PA en toute sécurité. Un simple appel téléphonique et ils seront dans le laboratoire à côté de vous pour résoudre un problème de conception.

Regard vers l'avenir

Dans le prochain article de cette série, nous examinerons certaines des innovations GaN potentielles qui pourraient transformer les applications des stations de base dans un avenir proche.