用于 5G 行業(yè)的射頻功率半導(dǎo)體

使用 WBG 材料的射頻功率半導(dǎo)體解決了 5G 應(yīng)用中的許多技術(shù)挑戰(zhàn)，縮小了與舊的基于硅的技術(shù)之間的差距。

5G 技術(shù)的進(jìn)步正在推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。5G 服務(wù)以更高的頻率工作，以確保更高的傳輸速率和極低的延遲。新頻率的使用會(huì)產(chǎn)生電源效率問(wèn)題，導(dǎo)致需要新的解決方案。

5G 不僅僅是更快的 4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。5G 被認(rèn)為是一種“新”網(wǎng)絡(luò)，是管理物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。而且速度很快。運(yùn)行 5G 的網(wǎng)絡(luò)將比現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡(luò)快 20 倍，使視頻下載速度提高 10 倍。高性能功率半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體，如氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 和砷化鎵 (GaAs)，在 5G 終端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書

5G與功耗

憑借前所未有的復(fù)雜性，下一代 5G 技術(shù)將使其完全智能化，從而在未來(lái)幾年內(nèi)徹底改變行業(yè)。這種變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)是巨大的：超高帶寬、高達(dá) 1 毫秒的延遲和高度可靠的連接。此外，RF 架構(gòu)需要可擴(kuò)展、高效且極其緊湊。5G 不僅需要通過(guò)安裝更多基站在宏觀層面實(shí)現(xiàn)高密度化，而且還需要在設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)高功率密度。

為了滿足更低功耗、更小尺寸和更好熱管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技術(shù)的射頻功率放大器在 4G 出現(xiàn)期間開(kāi)始引領(lǐng)潮流。GaN 有望因其改進(jìn)的功率性能而成為市場(chǎng)主流。

此外，與硅 (Si) 相比，SiC 器件的成本更低，性能更好，而 GaN-on-SiC 可以提供最佳的整體價(jià)值。特別是，GaN-on-SiC 的熱導(dǎo)率是 GaN-on-Si 的 3 倍。

同時(shí)，GaN和GaAs功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體具有更多優(yōu)勢(shì)，例如更高的開(kāi)關(guān)速度、更低的電流損耗和更高的功率密度。材料供應(yīng)商正在實(shí)施新的制造解決方案，以提供更低的成本和更容易的采用。特別是GaN和GaAs化合物半導(dǎo)體的制造工藝有望取得進(jìn)一步進(jìn)展。

根據(jù) ABI Research 的數(shù)據(jù)，在 5G 應(yīng)用的推動(dòng)下，射頻功率半導(dǎo)體的支出繼續(xù)增長(zhǎng)，2019 年達(dá)到近20 億美元。市場(chǎng)分析表明，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施細(xì)分市場(chǎng)經(jīng)歷了重大轉(zhuǎn)變，所有其他細(xì)分市場(chǎng)都在經(jīng)歷強(qiáng)勁增長(zhǎng)。LDMOS 正在發(fā)揮重要作用，但 GaN 繼續(xù)爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，通過(guò)縮小與其他更老的基于硅的技術(shù)的差距來(lái)解決市場(chǎng)所需的許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

根據(jù) ABI Research 的數(shù)據(jù)，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)約占總銷售額的 75%，并且在 5G NR 中頻的推動(dòng)下表現(xiàn)異常出色。在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施之外，射頻功率半導(dǎo)體應(yīng)用增長(zhǎng)最為強(qiáng)勁的垂直市場(chǎng)是商用航空電子設(shè)備和空中交通管制。

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GaN 和 SiC 功率器件為軍用/航空系統(tǒng)帶來(lái)巨大好處

與 LDMOS 相比，GaN-on-SiC 在 5G 技術(shù)方面提供了顯著改進(jìn)，例如卓越的熱特性，并且對(duì)于更高頻率的 5G 應(yīng)用更高效。

以下是適用于 5G 應(yīng)用的射頻功率 IC 示例。

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模擬設(shè)備公司

Analog Devices Inc. (ADI) 提供的功率放大器基于跨越千赫茲至 95 GHz 的 GaN 和 GaAs 半導(dǎo)體技術(shù)。除了裸片和表面貼裝組件外，該公司的產(chǎn)品組合還包括輸出功率超過(guò) 8 kW 的基于 GaN 的功率放大器模塊。

ADPA7002CHIP 是 GaAs、單片微波集成電路 (MMIC)、偽晶高電子遷移率晶體管 (pHEMT)、分布式功率放大器，工作頻率范圍為 20 GHz 至 44 GHz。該放大器提供 15 dB 的小信號(hào)增益、1 dB 增益壓縮 (P1dB) 下的 28 dBm 輸出功率和 40 dBm 的典型輸出三階截距 (IP3)。

ADPA7002CHIP 的功能圖（圖片：Analog Devices Inc.）

英飛凌科技股份公司

英飛凌科技為 6 GHz 以上的集成架構(gòu)提供 GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 射頻功率技術(shù)，為 6 GHz 以下的高穩(wěn)健性系統(tǒng)提供 LDMOS。封裝創(chuàng)新使集成 Doherty 的寬帶放大器成為可能。

適用于移動(dòng)和低功耗基礎(chǔ)設(shè)施的靈活射頻解決方案，包括 SiGe、BiCMOS、GaN 毫米波和 CMOS 射頻技術(shù)，可通過(guò)從成本優(yōu)化到高集成設(shè)計(jì)的替代選項(xiàng)滿足最佳性能要求。

隨著 CPU 當(dāng)前要求的增加以支持下一代人工智能和 5G 電網(wǎng)工作負(fù)載，DC/DC 穩(wěn)壓器必須為負(fù)載提供 500 A 以上的電流。XDPE132G5C控制器采用真正的 16 相 PWM 數(shù)字算法，可滿足這些高相數(shù)要求。

通信系統(tǒng)中最先進(jìn)的 ASIC 和 FPGA 需要步長(zhǎng)小于 1 mV 的V OUT控制。這是 XDPE132G5C 所固有的，它以 0.625 mV 的增量提供精細(xì)的 V OUT控制。此外，該解決方案支持自動(dòng)重啟要求，并提供選項(xiàng)以減少因電源問(wèn)題而導(dǎo)致的遠(yuǎn)程站點(diǎn)維護(hù)。

恩智浦半導(dǎo)體

NXP Semiconductors 提供多種射頻功率器件，包括 GaN、LDMOS、SiGe 和 GaAs 技術(shù)。一個(gè)例子是 MMRF5014H，這是一款 125W 連續(xù)波 (CW) 射頻功率晶體管，針對(duì)高達(dá) 2,700 MHz 的寬帶運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，它還包括輸入匹配以擴(kuò)展帶寬性能。該器件具有高增益和高耐用性，非常適合 CW、脈沖和寬帶 RF 應(yīng)用。該器件采用先進(jìn)的 GaN-on-SiC 技術(shù)構(gòu)建，適用于軍事和商業(yè)應(yīng)用，包括窄帶和多倍頻程寬帶放大器、雷達(dá)、干擾機(jī)和 EMC 測(cè)試。

LDMOS 功率放大器專為 TDD 和 FDD LTE 系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。AFSC5G23D37 是一款完全集成的 Doherty 功率放大器模塊，專為需要在最小占用空間內(nèi)提供高性能的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用而設(shè)計(jì)。目標(biāo)應(yīng)用包括大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)、小型室外蜂窩和低功率遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端。

隨著蜂窩市場(chǎng)向更高頻率和更高功率水平發(fā)展，GaN 技術(shù)提供了最先進(jìn)的線性化和 RF 性能，以簡(jiǎn)化 5G 部署。這些解決方案還通過(guò)支持更小、更輕的有源天線系統(tǒng)和多芯片模塊 (MCM) 來(lái)實(shí)現(xiàn)高度集成，從而簡(jiǎn)化大規(guī)模 MIMO 實(shí)施。

A2G35S160-01SR3 是一款 32W 射頻功率 GaN 晶體管，適用于覆蓋 3,400 至 3,600 MHz 頻率范圍的蜂窩基站應(yīng)用。它提供高終端阻抗以實(shí)現(xiàn)最佳寬帶性能，它專為數(shù)字預(yù)失真糾錯(cuò)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，并針對(duì) Doherty 應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

馬科姆

Macom 提供范圍廣泛的射頻功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，如分立器件、模塊和托盤，設(shè)計(jì)用于在 DC 至 6 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行。MAGB-101822-380A0P 是一對(duì) GaN HEMT D 模式放大器，專為數(shù)字預(yù)失真糾錯(cuò)系統(tǒng)和平均功率為 55W 的非對(duì)稱 Doherty 基站應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件采用塑料封裝，針對(duì)具有高終端阻抗的蜂窩基站應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)寬帶性能。

Qorvo 公司

Qorvo Inc. 為整個(gè) 5G 基礎(chǔ)設(shè)施提供高度集成的組件和模塊。GaN 技術(shù)用于構(gòu)建固態(tài)微波功率放大器 (SSPA)。它受益于導(dǎo)致高功率密度的高故障電壓。可以使用多種實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)構(gòu)建 GaN 功率放大器。

PRFI Ltd. 已實(shí)施 Qorvo 解決方案 TGF2977，以設(shè)計(jì) 5W X 波段 GaN 功率放大器。該放大器針對(duì) 9.3 至 9.5 GHz 頻段進(jìn)行了優(yōu)化，提供 11 dB 的小信號(hào)增益，并在 3 dB 增益壓縮下提供超過(guò) 37 dBm 的輸出功率，相應(yīng)的漏極效率超過(guò) 55%。

TGF2977 是一款 5W (P3dB) 寬帶無(wú)與倫比的分立式 GaN-on-SiC HEMT，可在直流至 12 GHz 和 32 V 電源軌范圍內(nèi)運(yùn)行。該器件采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 3 × 3 毫米 QFN 封裝，非常適合軍用和民用雷達(dá)、陸地移動(dòng)和軍用無(wú)線電通信、航空電子設(shè)備和測(cè)試儀器。該器件可以支持脈沖和線性操作。

TGA2219 是一款 25W GaN 功率放大器，作為高功率 MMIC 放大器提供，專為商業(yè)和軍用雷達(dá)（包括 Ku 波段）和衛(wèi)星通信系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。TGA2219 放大器采用 TriQuint 生產(chǎn)的 0.15-μm GaN-on-SiC 工藝開(kāi)發(fā)，工作頻率范圍為 13.4 GHz 至 16.5 GHz，提供 25 W 飽和輸出功率、27 dB 大信號(hào)增益和大于 28% 的功率附加效率 (PAE) ）。TGA2219 與 50 Ω 完全匹配，并在 RF 端口上集成了隔直電容器，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。

Wolfspeed，一家 Cree 公司

GaN-on-SiC 已成為應(yīng)對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)引入所帶來(lái)的所有挑戰(zhàn)和要求的領(lǐng)跑者。Wolfspeed 的產(chǎn)品組合主要側(cè)重于 GaN-on-SiC HEMT。一個(gè)例子是 GTRA384802FC。該解決方案是一個(gè) 400-W (P3dB) HEMT，用于多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩功率放大器應(yīng)用。

HEMT 具有輸入和輸出匹配、高效率以及帶無(wú)耳法蘭的熱增強(qiáng)封裝。該器件提供 62% 的效率和 12dB 的增益，并且可以在 48V、63W (WCDMA) 輸出功率下處理 10:1 VSWR。其非對(duì)稱 Doherty 設(shè)計(jì)保證了主 P3dB 200 W 典型值和峰值 P3dB 280 W 典型值。

結(jié)論

技術(shù)正在顯著發(fā)展。對(duì)于 5G 而言，GaN 比硅更高效，并且多年來(lái)一直是 5G 功率放大器中硅的明顯繼承者。由于晶圓的發(fā)展和成本的降低，它肯定會(huì)迎頭趕上，尤其是在 5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)方面。

GaN 器件正在取代市場(chǎng)上的 LDMOS 器件，尤其是在 5G 電信基站、雷達(dá)和航空電子設(shè)備以及其他寬帶應(yīng)用中。在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，GaN 和其他寬帶隙 (WBG) 材料因其物理特性將取代現(xiàn)有的 LDMOS 器件。然而，LDMOS由于其成熟和低成本，仍將占據(jù)穩(wěn)固的市場(chǎng)份額。

審核編輯 黃昊宇