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5G基站架构:潜在的半导体解决方案

Steve Taranovich?? 2015年10月27日 ?? 收藏2

GaN Systems公司

GaNSystems公司拥有一种非常巧妙的岛技术。他们的岛结构就是核心GaN Systems IP。它具有减小氮化镓器件尺寸和成本的双重优势,同时又能从片上金属到单独载体传输大电流。GaNSystems公司的目标是使设计师和系统工程师能够轻松采用氮化镓器件,笔者认为这对更高效的5G散热解决方案来说很重要。

GaN Systems公司负责销售和营销的副总裁Larry Spaziani对此话题也很感兴趣。下面是他的想法:

实现5G网络所需的功率晶体管革命将源自氮化镓。

我们目前处于什么位置,为什么?

数据中心:一直希望采用相同的冷却技术在相同的机架中容纳更高的功率→更高的密度,更高的效率。

数据中心和基站:总体拥有成本→ 降低供电成本→在各种负载情况下都具有更高的效率。

基站:在固定功率的基础设施中容纳更大的容量/更多的信道→更高的效率,更高的密度,以及包络跟踪。

5G目标:

·每个地理区域中的移动数据量增长1000倍,达到≥10 Tb/(s?km2)的目标;

·联网设备的数量增长1000倍,密度达到≥1M终端/km2;

·用户数据速率提高100倍,峰值终端数据速率达到≥10Gb/s;

·与2010年相比,能耗降低到原来的1/10;

·端到端延时减小到1/5,比如触觉互联网和射频链路延时达到5ms,车到车通信延时目标≤1ms;

·网络管理运营成本(OPEX)减小到1/5;

·服务部署时间减小到原来的1/1000,一次完整的部署时间在≤90min以内。

很难(我想说不可能)想象,没有电源管理方面的彻底革命性的改变能够实现这些目标。大多数主要的细分市场领先公司都将宽带隙特别是硅基氮化镓(因为我们讨论的是12V至离线电压范围内的电压)看作是实现电源管理巨大改进的一种方式。

让我们详细讨论每一项:

(1)每个地理区域中的移动数据量增长1000倍,达到≥10Tb/s/km2的目标。

·更多数据=更多数据中心=更多服务器=更多功耗→需要更高的效率和更多的节能。

·更多数据=在体育馆、商场、街道和家庭中部署数百万的“微微基站”。每个基站的功耗很低,但在许多情况下要求离线效率、永远在线。

(2)联网设备的数量增长1000倍,密度达到≥1M终端/km2。

·想象在1km2内有100万台设备。想象(像5G规划那样)每个国家每条道路每隔几米部署的传感器以及现有的每个消费产品都要连到互联网。非常小但非常高效的电源转换会有巨大的需求,这种电源转换允许传感器有许多年的电池寿命,而且体积非常小,在这种情况下用GaN可以支持非常高频的开关(我们有位客户测试我们的器件达到了70MHz)。

(3) 用户数据速率提高100倍,峰值终端数据速度达到≥10Gb/s。

·功放必须处理更高的数据速率→更高功耗→更多信道,因此要求包括包络跟踪在内的极高效率。

(4) 与2010年相比,能耗降低到原来的1/10。

·这一项清楚说明了事实。如果不在配置的各个方面专注于如何降低功耗以及在哪里降低功耗,那如何做到其它指标提高100倍或1000倍而功耗要下降90%呢?大多数报告认为这个目标几乎不可能实现,需要付出巨大的努力。我不能想象没有了氮化镓(和GaN Systems公司)会怎样。

GaNSystems公司在做什么?

(1) 我们正在开发历史上最容易驱动、具有最高品质因数(Rdson×Qg)的功率晶体管,比最好的硅晶体管还要好13倍。

(a) 品质因数(FOM)对于开发出最小、最轻、最有效率、最低成本的系统来说至关重要;

(b) 最容易驱动对于加快和简化工程师的工作至关重要——这是工程师们一直梦寐以求的。

(2) 我们正在做100V(用于48V系统)和650V(用于离线系统)的产品。

(3) 我们在开发大电流器件(GaN市场中唯一的),用于提高大型数据中心基础设备的效率,比如数百千瓦UPS的效率。

(4) 我们还有低至40V的路线图,用于支持DC/DC领域中特别高的频率和成本结构,这将是总体部署的重要组成部分。

架构

5G架构发展中的首个有前途的领域是转向全数字无线电器件(或至少接近于全数字)。在这种设计中,我们也实现了氮化镓电压模式S级功放(VMCS-PA),用于增强总体功效。

图2:采用了VMCS-PA和包络Δ-∑调制器的数字发射机框图。
图2:采用了VMCS-PA和包络Δ-∑调制器的数字发射机框图。

利用CMOS微缩几何尺寸的增强型数字处理技术也能极大地提高射频采样ADC的性能。

接下来将会是单比特∑-Δ架构向较低功耗5G速度的可能推断。事实表明,拥有射频数字流和无线信号的组合的单比特数字发射器,可以经过放大、滤波后,再经功放发送到发射天线。使用开关型功放还可以极大地进一步提高效率(参考上面的氮化镓电压模式S级功放框图)。

过去在手机中使用的连续时间Δ-∑(CTDS)ADC也许能用于未来的蜂窝基础设施系统。

模数转换器交错技术的发展也可能有助于提高采样速率。

接口

对于高速数据转换器来说JESD204B是相对较新的一种高速接口。由于现在的数据转换器工作在每秒吉样值(Gsps)的速度,必须采纳新推出的JESD204B或其它新标准和/或接口架构。

工艺

CMOS仍是一种极有前途的工艺,正在向数据转换器中要求的更低功耗和更高速度发展。

在射频段工作的氮化镓晶体管可能会得到基于金刚石的氮化镓技术的帮助。

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《电子技术设计》11月刊版权所有,谢绝转载。


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