Perspectiva do Mercado e Aplicações de Amplificadores de Potência GaN MMIC

O próximo smartphone que você comprar provavelmente incluirá um amplificador de potência MMIC GaN para comunicação sem fio. O que antes era relegado ao meio acadêmico agora está vendo uma rápida comercialização. Esses desenvolvimentos não estão limitados a smartphones, embora isso deva representar uma parte significativa do crescente mercado de componentes RF. Espera-se que o radar de alta frequência em automotivo, aeroespacial e até robótica seja um importante impulsionador da adoção adicional de MMIC GaN. Como uma área relacionada que requer semicondutores com alta condutividade térmica e tensão de ruptura, espera-se que os amplificadores GaN-SiC e 4H-SiC vejam um uso copioso no setor de energia renovável.

As provas estão nos dados de mercado. De acordo com os últimos dados de mercado da Global mobile Suppliers Association (GSA), mais de 67% de todos os dispositivos 5G suportam bandas de espectro sub-6 GHz e pouco mais de 34% suportam comunicação sem fio mmWave. Mais de 27% de todos os dispositivos anunciados suportam tanto a comunicação sem fio mmWave quanto sub-6 GHz. À medida que mais dispositivos avançam para a faixa mmWave, e os métodos de resfriamento para esses produtos se tornam mais inovadores, estimativas recentes colocam o valor do mercado global de amplificadores de US$1,6 bilhão a US$3 bilhões até 2023. Prevê-se que o GaN represente 43% dessa participação total de mercado.

Com toda a empolgação em torno desses componentes, é um bom momento para ser um designer de RF, móvel, radar ou conversão de potência. Se você está procurando maneiras de inovar, então continue lendo para ver de onde virá o próximo crescimento e por que os MMICs de GaN são críticos para essas aplicações.

Por que a empolgação com o Amplificador de Potência MMIC de GaN?

GaN é um semicondutor ideal para transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMT), ao lado de GaAs e silício em massa. As diferenças importantes entre GaN para aplicações de RF e Si ou GaAs tornam-se claras quando suas propriedades materiais são comparadas. Uma breve comparação é mostrada na tabela abaixo.

A verdadeira vantagem para a eletrônica de potência RF surge de duas formas. Primeiro, a mobilidade do Si na camada em massa é maior do que na camada de inversão, porém, o caso oposto é observado no GaN. Isso significa que o GaN tem menor resistência no estado ON, o que é uma métrica crucial para a eficiência do transistor. Segundo, ele possui um limiar de ruptura mais alto graças ao seu maior gap de banda. Se o mundo da fotônica integrada algum dia se tornar comercializado para uso em comprimentos de onda UV, o GaN é um semicondutor primordial para EPICs UV.

Embora as condutividades térmicas do GaN e do Si sejam semelhantes, o GaN pode tolerar uma temperatura operacional muito mais alta. O GaN também pode ser cultivado em um substrato de SiC em vez de em si próprio. A condutividade térmica do 4H-SiC é de 490 W/m•K, o que proporciona um dissipador de calor integrado eficaz para MOSFETs GaN-SiC operando em alta frequência com alta saída de potência. Todas essas qualidades estão impulsionando a tecnologia de fundição e o design de dispositivos amplificadores de potência MMIC GaN para uma série de aplicações.

Aplicações Promissoras para Amplificadores de Potência GaN

Segue-se algumas das aplicações emergentes para amplificadores de potência GaN.

Amplificadores para Telecomunicações

A proliferação das redes sem fio LTE é um fator primário de crescimento que impulsionou o mercado de amplificadores GaN. As implementações de 5G verão um uso maior de amplificadores GaN/GaN-SiC em backhaul sem fio e estações base, representando 50% do crescimento do mercado nesta área. Para os projetistas de placas, os amplificadores GaN/GaN-SiC serão uma escolha ideal, pois esses componentes exigem menos equipamento de refrigeração a bordo e fora de bordo.

Automotivo, Defesa e Aeroespacial

A principal aplicação de alta frequência nesta área é o radar na banda W (para automotivo) e a banda M da OTAN (para aeroespacial/defesa). Os dispositivos GaN podem suportar as frequências mais altas requeridas graças à sua dispersão plana/capacitância de saída. Radar em frequências que vão até a banda W exigirá a transição dos dispositivos GaAs. A tensão útil mais alta nos dispositivos GaN também fornece uma saída de potência maior comparada aos GaAs, o que permite um alcance mais longo.

Dispositivos GaN são uma excelente escolha para cadeias de sinal de radar automotivo de longo alcance operando em ~77 GHz. À medida que os custos dos componentes diminuem devido à maior capacidade das fundições e ao aumento da concorrência, o custo dos módulos de radar para essas aplicações também diminuirá. A proliferação de módulos transceptores integrados e SoCs para radar automotivo também está proporcionando dimensões menores para novos produtos.

Conversão de Energia para Energia Alternativa

Embora não seja uma aplicação de alta frequência, a conversão de energia eficiente em alta tensão com longa confiabilidade requer dispositivos que possam suportar altas temperaturas e dissipar calor rapidamente. GaN-Si e GaN-SiC se encaixam bem nesse requisito, embora a maior condutividade térmica dos substratos de SiC favoreça o GaN-SiC para aplicações de alta tensão/alta potência. Novos amplificadores de potência GaN estão possibilitando a conversão de energia em aplicações industriais trifásicas, distribuição/conversão de energia e eletrônicos automotivos até a faixa de kV.

Com a maior comercialização e demanda nessas novas áreas, os projetistas precisam saber quais componentes estão disponíveis para novos produtos. Você pode visitar Octopart para encontrar seu próximo amplificador de potência MMIC GaN, e pode rapidamente importar dados de design para seus componentes no Altium Designer.

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