5G 및 GaN:임베디드 설계자가 알아야 할 사항

이 시리즈의 이전 기사에서 설명한 것처럼 sub-6GHz 5G 기지국의 전력 수요는 LDMOS 증폭기에서 GaN 기반 솔루션으로의 전환을 주도하고 있습니다. 높은 전력 밀도, 효율성 및 더 넓은 주파수 지원은 많은 RF 애플리케이션을 위한 매력적인 솔루션입니다. 임베디드 시스템 디자이너라면 누구나 말하겠지만 모든 재료에는 장단점이 있습니다. GaN RF 전력 증폭기의 모든 이점을 활용하려면 접근 방식을 약간 변경해야 하는 경우가 많으며 그 결과는 노력할 가치가 있습니다.

설계 모범 사례를 살펴보기 전에 GaN에 대한 일반적인 오해를 해결하는 것이 좋습니다.

GaN에 대한 오해

비용

GaN은 엔지니어링 커뮤니티의 많은 사람들에게 엄청난 비용으로 인식됩니다. 좁은 관점에서 보면 정확합니다. 오늘날 GaN은 순수 실리콘 또는 LDMOS 솔루션보다 생산 비용이 더 비쌉니다. 그러나 이는 추가 시스템 비용을 상쇄할 수 있는 성능 향상을 무시합니다. 가격 대비 성능 비율은 평가할 핵심 수치입니다. 필요에 따라 GaN은 더 작은 패키지로 전력 요구 사항을 충족할 수 있으므로 전체 시스템의 전체 비용을 낮출 수 있습니다. 더 작은 패키지는 보드 크기와 비용을 줄일 뿐만 아니라 큰 절감 효과를 얻을 수 있는 방열판도 줄여줍니다. 다중대역 및 광대역 GaN 증폭기는 시스템에서 여러 개의 개별 협대역 증폭기를 대체하여 총 시스템 비용을 더욱 절감할 수 있습니다. 모든 애플리케이션에 완벽하다는 것은 아니지만 달러당 성능의 관점에서 볼 때 GaN은 종종 비용 절감으로 이어집니다. 총 소유 비용은 GaN이 기술 이점을 보여줄 수 있는 부분입니다.

또한 GaN 생산량이 크게 증가했습니다. 이는 주어진 기지국 시스템에서 사용되는 PA의 수가 증가함에 따라 대규모 MIMO 공간에서 매우 분명합니다. GaN이 이러한 다양한 하위 시장에서 시장 점유율을 확보함에 따라 공급업체는 대량 생산을 확장하여 공급망 비용을 매우 경쟁력 있는 수준으로 낮출 수 있습니다. GaN은 더 저렴한 비용으로 더 나은 성능을 제공하고 더 폭넓게 채택하고 규모를 추가로 절감할 수 있음을 의미합니다. GaN의 가격은 앞으로 더욱 경쟁력을 갖게 될 것입니다.

모든 GaN이 동일하게 작동하는 것은 아닙니다.

모든 GaN 전력 증폭기가 상품화될 만큼 충분히 유사하다는 오해가 있습니다. LDMOS 솔루션에 의존해 온 엔지니어들이 쉽게 추측할 수 있습니다. 다른 벤더의 LDMOS 소자의 특성을 반도체 수준에서 보면 놀라울 정도로 비슷합니다. GaN 공간에서는 그렇지 않습니다. 각 공급업체는 GaN 생산 문제를 해결하기 위해 개발 방식을 다르게 접근하며 이는 서로 다른 강점과 약점으로 해석됩니다. 결과적으로 각 공급업체의 GaN은 다르게 작동하며 공급업체는 고유한 PA를 수용할 수 있는 다양한 솔루션을 가지고 있는 경우가 많습니다. 임베디드 설계자는 과거에 GaN을 사용한 경험이 모든 공급업체에 적용된다고 가정해서는 안 됩니다. 공급업체와 긴밀하게 협력하여 고유한 GaN PA를 최대한 활용하십시오.

게이트 전류

임베디드 설계자는 GaN PA에 대한 데이터 시트에서 높은 게이트 전류를 보고 우려합니다. 그들은 높은 게이트 전류가 장치 고장을 유발한다고 가정합니다. 사실 높은 게이트가 항상 안정성 문제를 의미하지는 않습니다. 신뢰성은 기술에 따라 크게 좌우되며 모든 GaN이 동일하게 동작하는 것은 아닙니다. 더 높은 전류를 수용하기 위한 간단한 바이어스 회로 조정으로 시스템 전력 효율성과 밀도가 모두 크게 향상됩니다.

GaN 성능을 극대화하기 위한 설계 솔루션

이전 기사에서 논의한 바와 같이 GaN은 향상된 전력 밀도, 효율성 및 주파수 유연성을 제공합니다. 그러나 반도체의 잠재력을 최대한 활용하려면 임베디드 설계자가 재료의 장점을 활용해야 합니다. 다음은 고려해야 할 몇 가지 시스템 수준 설계 방식입니다.

선형화를 위한 설계

GaN으로 나아가기 전에 대부분의 임베디드 설계자가 가장 크게 걱정하는 것은 선형화입니다. GaN은 선형화하기 어렵다는 인식이 있습니다. 그런 경우가 있지만 비선형 및 트래핑 효과를 완화하는 선형화된 결함을 해결하는 관리 가능한 방법도 있습니다. 장치를 이상적인 애플리케이션 공간에 배치하는 시스템 설계 접근 방식이나 IQ 드리프트를 제어하고 트래핑 효과를 추적하는 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 수행할 수 있습니다. 공급업체 생태계는 이러한 정확한 문제를 해결하기 위해 성장했습니다.

수행해야 할 작업이 있지만 결과는 훨씬 더 나은 전력 효율성입니다. 고려해야 할 절충안입니다. 필요에 따라 일부 설계자는 거래를 하고 다른 설계자는 기존 LDMOS 솔루션으로 대체합니다.

GaN 선형성 개선의 기회는 여전히 존재하지만 GaN 트랜지스터의 낮은 드레인-소스 커패시턴스는 광역 및 초광대역 순시 대역폭 신호에 대해 더 나은 응답을 제공할 수 있으므로 해당 신호에 대한 전체 시스템 선형화를 개선할 수 있습니다. 비디오 대역폭은 또한 GaN이 경쟁 기술을 능가할 수 있는 영역입니다.

선형 효율성이 통신 산업의 주요 R&D 초점이라는 점도 주목할 가치가 있습니다. 분석가들은 디지털 처리 및 장치 수준 개선 덕분에 향후 3~5년 동안 GaN 선형화가 극적으로 개선될 것으로 예상합니다. 차세대 GaN이 시장을 선도하는 선형성을 제공한다고 해도 놀라지 마십시오.

방열 인식

GaN 전력 증폭기는 실리콘 기반 기술이 도달할 수 없는 온도에서 작동하여 시스템 내의 방열판 및 냉각 요구 사항을 단순화합니다. 그러나 임베디드 설계자가 주의하지 않으면 특히 더 적은 수의 GaN PA를 사용하여 시스템 폼 팩터의 크기가 줄어든 경우 더 높은 열 밀도로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 더 작은 시스템은 예기치 않은 구성 요소에 더 많은 열 압력을 가합니다.

엔지니어링 팀은 접합 온도에 초점을 맞추는 경향이 있습니다. GaN PA는 이러한 높은 접합 온도를 지원하므로 시스템의 다른 부분이 제한 요소가 됩니다. 솔더 조인트는 종종 간과되는 예입니다. 시스템 설계는 이를 고려해야 합니다. 엔지니어는 GaN PA가 더 높은 온도에서 작동할 수 있고 설계 중에 이를 최대한 활용할 수 있다는 지식을 바탕으로 내부 신뢰성 요구 사항을 재평가하는 것이 가장 좋습니다.

공급업체 전문성 활용

공급업체가 자체 제품의 이상적인 애플리케이션을 알고 있다는 것은 놀라운 일이 아니지만 고객은 RF 외부의 임베디드 시스템에 대한 애플리케이션 엔지니어의 지식에 충격을 받을 수 있습니다. 가능한 한 효과적이려면 GaN PA가 나머지 장치와 함께 작동해야 합니다. 이를 위해서는 캐리어 및 피크 전압과 같은 요소에 대한 전체 제품 최적화가 필요합니다. 이는 PA 기술 전반에 걸쳐 상당히 표준적이지만 GaN 애플리케이션에도 이와 동일한 유형의 거래 공간이 존재한다는 점에 유의해야 합니다.

그러나 일부 고객은 공급업체의 애플리케이션 엔지니어 팀을 최대한 활용하지 않습니다. 솔루션을 가장 잘 구현하는 방법에 대해 항상 GaN 공급업체에 문의할 가치가 있습니다. 그들은 안전하게 PA를 최대한 활용하기 위한 모든 트릭을 알고 있을 것입니다. 전화 한 통이면 옆에 있는 연구실에서 설계 문제를 해결하기 위해 일할 것입니다.

미리 내다보기

이 시리즈의 다음 기사에서는 가까운 장래에 기지국 애플리케이션을 변화시킬 수 있는 잠재적인 GaN 혁신 몇 가지를 살펴보겠습니다.