5GとGaN：組み込み設計者が知っておくべきこと

このシリーズの前回の記事で説明したように、6GHz未満の5G基地局の電力需要により、LDMOSアンプからGaNベースのソリューションへの移行が進んでいます。高電力密度、効率、およびより広い周波数サポートにより、多くのRFアプリケーションにとって魅力的なソリューションになります。組み込みシステムの設計者なら誰でも言うように、すべての材料にはトレードオフが伴います。 GaN RFパワーアンプの利点を最大限に活用するには、アプローチを少し変える必要があり、その結果は努力する価値があります。

設計のベストプラクティスを検討する前に、GaNに関する一般的な誤解に対処することは価値があります。

GaNの誤解

コスト

GaNは、エンジニアリングコミュニティの多くの人から、法外なコストがかかると認識されています。狭い観点からは正確です。 GaNは、今日、純粋なシリコンまたはLDMOSソリューションよりも製造コストが高くなっています。ただし、追加のシステムコストを相殺できるパフォーマンスの向上は無視されます。価格対性能比は、評価するための重要な数値です。必要に応じて、より小さなパッケージで電力のニーズを満たすことができるため、GaNはシステム全体の全体的なコストを下げる可能性があります。パッケージが小さいほど、ボードのサイズとコストが削減されるだけでなく、大幅な節約が見込めるヒートシンクも削減されます。マルチバンドおよびワイドバンドGaN増幅器は、システム内の複数の個別の狭帯域増幅器を置き換えることができ、システム全体のコストをさらに削減できます。すべてのアプリケーションに最適であるとは限りませんが、1ドルあたりのパフォーマンスという観点から見ると、GaNは多くの場合節約につながります。総所有コストは、GaNがテクノロジー上のメリットを示すことができる場所です。

さらに、GaNの生産量は劇的に増加しました。これは、特定の基地局システムで使用されるPAの数が増える大規模MIMO空間では非常に明白です。 GaNがこれらのさまざまなサブマーケットで市場シェアを獲得すると（5G基地局はより大きなものの1つです）、サプライヤは大量生産をスケールアップしてサプライチェーンのコストを非常に競争力のあるレベルにまで下げることができます。これは、GaNがより優れたパフォーマンスを提供し、より安価に、より幅広い採用を獲得し、規模からさらに節約できることを意味します。 GaNの価格は、今後さらに競争力が高まるでしょう。

すべてのGaNが同じように動作するわけではありません

すべてのGaNパワーアンプはコモディティ化できるほど類似しているという誤解があります。 LDMOSソリューションに依存しているエンジニアから来るのは簡単な仮定です。さまざまなベンダーのLDMOSデバイスの特性を半導体レベルで見ると、非常によく似ています。 GaN空間ではそうではありません。 GaN製造の課題を解決するために、ベンダーごとに開発へのアプローチが異なります。これは、さまざまな長所と短所につながります。その結果、各ベンダーのGaNの動作は異なり、ベンダーは独自のPAに対応するためにさまざまなソリューションを使用することがよくあります。組み込み設計者は、過去にGaNで経験したことがすべてのベンダーに当てはまると想定してはなりません。サプライヤと緊密に連携して、それぞれの固有のGaNPAを最大限に活用できるようにします。

ゲート電流

組み込み設計者は、GaN PAのデータシートで高いゲート電流を確認し、懸念を抱いています。彼らは、高いゲート電流がデバイスの故障を引き起こすと想定しています。真実は、高いゲートは必ずしもそれが信頼性の問題であることを意味するわけではないということです。信頼性は技術に大きく依存しており、前に説明したことに戻ります。すべてのGaNが同じように動作するわけではありません。より高い電流に対応するための単純なバイアス回路調整により、システムの電力効率と密度の両方が大幅に向上します。

GaNのパフォーマンスを最大化するための設計ソリューション

以前の記事で説明したように、GaNは、電力密度、効率、および周波数の柔軟性を向上させます。ただし、半導体の可能性を最大限に活用するには、組み込み設計者は材料の強みを活かす必要があります。考慮すべきシステムレベルの設計手法をいくつか示します。

線形化のための設計

GaNを進める前のほとんどの組み込み設計者にとっての最大の懸念は、線形化です。 GaNは線形化が難しいという認識があります。それが当てはまる状況もありますが、非線形効果とトラッピング効果を軽減する線形化された欠陥に対処するための管理可能な方法もあります。これは、デバイスを理想的なアプリケーションスペースに配置するシステム設計アプローチ、またはIQドリフトを制御してトラッピング効果を追跡するソフトウェアアルゴリズムを使用して実行できます。ベンダーのエコシステムは、これらの正確な課題に対処するために成長しました。

実行する必要のある作業がありますが、その見返りは電力効率が大幅に向上することです。これは、考慮する必要のあるトレードオフです。必要に応じて、一部の設計者はその取引を行い、他の設計者は従来のLDMOSソリューションにフォールバックします。

GaNの線形性を改善する機会はまだ存在しますが、GaNトランジスタの低いドレイン-ソース間容量は、広いおよび超広い瞬間帯域幅信号に対してより良い応答を提供し、それらの信号のシステム全体の線形化を改善します。ビデオ帯域幅は、GaNが競合技術をしのぐことができる領域でもあります。

線形効率が通信業界の主な研究開発の焦点であることも注目に値します。デジタル処理とデバイスレベルの両方の改善のおかげで、アナリストは、GaNの線形化が今後3〜5年で劇的に改善されることを期待しています。次世代のGaNが市場をリードする直線性を実現しても驚かないでください。

熱放散の認識

GaNパワーアンプは、シリコンベースのテクノロジーでは到達できない温度で動作するため、システム内のヒートシンクと冷却の要件が簡素化されます。ただし、組み込み設計者が注意を怠ると、特に使用するGaN PAの数が少なくなり、システムのフォームファクタのサイズが小さくなった場合、熱密度が高くなると問題が発生する可能性があります。システムが小さいほど、予期しないコンポーネントにより多くの熱圧力がかかります。

エンジニアリングチームは、接合部の温度に焦点を合わせる傾向があります。 GaN PAはこのような高い接合部温度をサポートするため、システムの他の部分が制限要因になります。はんだ接合は見過ごされがちな例です。システム設計はこれを考慮する必要があります。エンジニアは、GaN PAがより高い温度で動作し、設計時にそれを最大限に活用できるという知識を持って、内部の信頼性要件を再評価するのが最善です。

サプライヤーの専門知識を活用する

ベンダーが自社製品の理想的なアプリケーションを知っていることは驚くことではありませんが、RF以外の組み込みシステムに関するアプリケーションエンジニアの知識に顧客はショックを受ける可能性があります。可能な限り効果的にするには、GaNPAはデバイスの他の部分と連携して動作する必要があります。そのためには、キャリア電圧やピーク電圧などの要素を中心に製品全体を最適化する必要があります。これはPAテクノロジー全体でかなり標準的ですが、これと同じタイプのトレードス​​ペースがGaNアプリケーションにも存在することに注意することが重要です。

それでも、一部の顧客は、ベンダーのアプリケーションエンジニアのチームを十分に活用していません。ソリューションを最適に実装する方法については、常にGaNサプライヤに相談する価値があります。彼らは、PAから最大限のパフォーマンスを安全に引き出すためのすべての秘訣を知っています。簡単な電話を1回かけると、隣のラボにいて、設計上の課題を解決するために取り組んでいます。

今後の展望

このシリーズの次の記事では、近い将来に基地局アプリケーションを変革する可能性のあるGaNの革新の可能性について検討します。