5G dan GaN:Apa yang perlu diketahui desainer tertanam

Seperti yang dijelaskan dalam artikel sebelumnya dalam seri ini, permintaan daya dari BTS 5G sub-6GHz mendorong pergeseran dari amplifier LDMOS ke solusi berbasis GaN. Kepadatan daya yang tinggi, efisiensi, dan dukungan frekuensi yang lebih luas menjadikannya solusi yang menarik untuk banyak aplikasi RF. Seperti yang akan dikatakan oleh perancang sistem tertanam mana pun, setiap materi dilengkapi dengan pengorbanan. Memanfaatkan manfaat penuh dari amplifier daya RF GaN sering kali memerlukan sedikit perubahan pendekatan, dengan hasil yang sepadan dengan usaha.

Sebelum menjelajahi praktik terbaik desain, ada baiknya untuk mengatasi kesalahan persepsi umum seputar GaN.

Kesalahpahaman GaN

Biaya

GaN dianggap mahal oleh banyak orang di komunitas teknik. Dari perspektif sempit yang akurat; GaN saat ini lebih mahal untuk diproduksi daripada silikon murni atau larutan LDMOS. Namun, itu mengabaikan peningkatan kinerja yang dapat mengimbangi biaya sistem tambahan. Rasio harga-untuk-kinerja adalah tokoh kunci untuk mengevaluasi. Bergantung pada kebutuhan, GaN dapat menurunkan biaya keseluruhan sistem karena Anda dapat memenuhi kebutuhan daya dalam paket yang lebih kecil. Paket yang lebih kecil tidak hanya mengurangi ukuran dan biaya papan, tetapi juga heatsink di mana penghematan besar dapat ditemukan. Amplifier GaN multiband dan wideband dapat menggantikan beberapa amplifier narrowband terpisah dalam sistem yang selanjutnya dapat mengurangi total biaya sistem. Itu tidak berarti itu sangat cocok untuk setiap aplikasi, tetapi dilihat melalui lensa kinerja per dolar, GaN sering diterjemahkan menjadi penghematan. Total biaya kepemilikan adalah tempat GaN dapat menunjukkan manfaat teknologinya.

Selain itu, volume produksi GaN telah tumbuh secara dramatis. Ini sangat jelas dalam ruang MIMO yang sangat besar dengan meningkatnya jumlah PA yang digunakan dalam sistem stasiun pangkalan tertentu. Ketika GaN memperoleh pangsa pasar di berbagai sub-pasar ini – BTS 5G menjadi salah satu yang lebih besar – pemasok dapat meningkatkan produksi massal yang mendorong biaya rantai pasokan turun ke tingkat yang sangat kompetitif. Artinya GaN memberikan kinerja yang lebih baik dengan harga yang lebih murah, mengumpulkan adopsi yang lebih luas, dan penghematan tambahan dari skala. Harga GaN hanya akan semakin kompetitif di masa mendatang.

Tidak Semua GaN Berperilaku Sama

Ada kesalahpahaman bahwa semua power amplifier GaN cukup mirip untuk dijadikan komoditas. Ini adalah asumsi yang mudah dibuat dari para insinyur yang mengandalkan solusi LDMOS. Jika Anda melihat karakteristik perangkat LDMOS dari vendor yang berbeda pada tingkat semikonduktor, mereka sangat mirip. Itu tidak terjadi di ruang GaN. Setiap vendor melakukan pendekatan pengembangan secara berbeda untuk memecahkan tantangan produksi GaN, dan itu berarti kekuatan dan kelemahan yang berbeda. Akibatnya, GaN dari masing-masing vendor berperilaku berbeda, dan vendor sering kali memiliki beragam solusi untuk mengakomodasi PA unik mereka. Desainer tertanam tidak boleh berasumsi bahwa pengalaman yang mereka miliki dengan GaN di masa lalu akan berlaku di semua vendor. Berkoordinasi erat dengan pemasok Anda untuk memastikan Anda mendapatkan hasil maksimal dari setiap PA GaN yang unik.

Arus Gerbang

Desainer tertanam melihat arus gerbang tinggi pada lembar data untuk GaN PA dan memiliki kekhawatiran. Mereka berasumsi bahwa arus gerbang yang tinggi menyebabkan kegagalan perangkat. Yang benar adalah bahwa gerbang tinggi tidak selalu berarti itu masalah keandalan. Keandalan sangat bergantung pada teknologi, dan itu kembali ke apa yang telah dibahas sebelumnya – tidak semua GaN berperilaku sama. Dengan penyesuaian sirkuit bias sederhana untuk mengakomodasi arus yang lebih tinggi, efisiensi daya dan kepadatan sistem meningkat secara substansial.

Solusi Desain untuk Memaksimalkan Performa GaN

Seperti yang dibahas dalam artikel sebelumnya, GaN memberikan peningkatan kepadatan daya, efisiensi, dan fleksibilitas frekuensi. Namun, untuk memanfaatkan potensi penuh semikonduktor, desainer tertanam harus memainkan kekuatan material. Berikut adalah beberapa praktik desain tingkat sistem yang perlu dipertimbangkan.

Mendesain untuk Linearisasi

Perhatian terbesar bagi sebagian besar desainer tertanam sebelum bergerak maju dengan GaN adalah linearisasi. Ada persepsi bahwa GaN sulit untuk linierisasi. Ada situasi di mana hal itu terjadi, tetapi ada juga cara yang dapat dikelola untuk mengatasi defisiensi linier yang mengurangi efek nonlinier dan perangkap. Hal ini dapat dilakukan dengan pendekatan desain sistem yang menempatkan perangkat di ruang aplikasi yang ideal, atau algoritme perangkat lunak yang mengontrol efek drift IQ dan track trapping. Ekosistem vendor telah berkembang untuk mengatasi tantangan yang tepat ini.

Ada pekerjaan yang perlu dilakukan, tetapi hasilnya adalah efisiensi daya yang jauh lebih baik. Ini adalah tradeoff yang perlu dipertimbangkan. Bergantung pada kebutuhan, beberapa desainer akan melakukan perdagangan itu dan yang lainnya akan kembali ke solusi LDMOS tradisional.

Sementara peluang untuk peningkatan linieritas GaN masih ada, kapasitansi sumber saluran yang rendah dari transistor GaN dapat menawarkan respons yang lebih baik terhadap sinyal bandwidth instan lebar dan ultralebar, yang mengarah ke linearisasi sistem keseluruhan yang lebih baik untuk sinyal tersebut. Bandwidth video juga merupakan area di mana GaN dapat mengungguli teknologi pesaing.

Perlu juga dicatat bahwa efisiensi linier adalah fokus R&D utama industri komunikasi. Berkat pemrosesan digital dan peningkatan tingkat perangkat, analis memperkirakan linierisasi GaN meningkat secara dramatis selama tiga hingga lima tahun ke depan. Jangan kaget ketika generasi GaN mendatang menghadirkan linearitas terdepan di pasar.

Kesadaran Disipasi Panas

Amplifier daya GaN beroperasi pada suhu yang tidak dapat dicapai oleh teknologi berbasis silikon, menyederhanakan persyaratan heat-sink dan pendinginan dalam suatu sistem. Namun kepadatan panas yang lebih tinggi dapat menimbulkan tantangan jika desainer tertanam tidak berhati-hati, terutama jika menggunakan lebih sedikit GaN PA telah mengurangi ukuran faktor bentuk sistem. Sistem yang lebih kecil akan memberikan lebih banyak tekanan panas pada komponen yang tidak terduga.

Tim teknik cenderung fokus pada suhu persimpangan. Sejak GaN PA mendukung suhu sambungan yang tinggi, bagian lain dari sistem menjadi faktor pembatas. Sambungan solder adalah contoh yang sering diabaikan. Desain sistem perlu memperhitungkan hal ini. Insinyur paling baik dilayani dengan mengevaluasi kembali persyaratan keandalan internal dengan pengetahuan bahwa GaN PA dapat bekerja pada suhu yang lebih tinggi dan memanfaatkannya sepenuhnya selama desain.

Manfaatkan Keahlian Pemasok

Tidak mengherankan jika vendor mengetahui aplikasi ideal dari produk mereka sendiri, tetapi pelanggan dapat dikejutkan oleh pengetahuan insinyur aplikasi tentang sistem tertanam di luar RF. Agar seefektif mungkin, PA GaN perlu bekerja bersama dengan perangkat lainnya. Itu membutuhkan pengoptimalan produk secara keseluruhan di sekitar elemen seperti tegangan pembawa dan puncak. Ini cukup standar di seluruh teknologi PA, tetapi penting untuk dicatat bahwa jenis ruang perdagangan yang sama ini ada untuk aplikasi GaN.

Namun, beberapa pelanggan tidak memanfaatkan sepenuhnya tim insinyur aplikasi vendor. Sebaiknya konsultasikan dengan pemasok GaN Anda tentang cara terbaik untuk menerapkan solusi. Mereka akan mengetahui semua trik untuk mendapatkan performa maksimal dari PA dengan aman. Satu panggilan telepon cepat dan mereka akan berada di lab di sebelah Anda bekerja untuk menyelesaikan tantangan desain.

Melihat ke Depan

Dalam artikel berikutnya dalam seri ini, kita akan membahas beberapa potensi inovasi GaN yang dapat mengubah aplikasi stasiun pangkalan dalam waktu dekat.