芯耀
与非AI
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传统基站射频功率放大器，大多选用LDMOS管子，主打性价比够用。
现在工程师们想要进一步拉高整机性能，都开始改用高性能氮化镓（GaN）器件、碳化硅基氮化镓功放这类新方案。但GaN器件和常规LDMOS场效应管差别特别大，设计上会碰到不少新难题。在用GaN做电路设计时，下面五点一定要重点斟酌：栅极上电顺序、栅压漂移问题、温度补偿设计、栅极漏电流指标，还有用来计算平均无故障时间（MTTF）的温度实测流程，下图是氮化镓GaN HEMT的典型结构。
一、栅极上电顺序
绝大多数AlGaN/GaN高电子迁移率射频场效应管，不加任何偏置电压的时候管子就是导通全开的，属于耗尽型器件。这类管子有硬性上电规矩：必须先给栅源极加上负电压把管子关断，之后才能再加漏极电压。加上负栅源偏压还能把静态电流稳住，保证管子正常工作在AB类状态。上电时序可以靠外围偏置电路硬件实现，也能用专门配套的GaN偏置控制芯片来管控。
二、栅压Vgs漂移问题
GaN功放调好稳定的AB类静态工作点之后，哪怕栅源电压Vgs固定不动，漏极电流还是会随着时间呈对数规律慢慢变动，这就是常说的栅压漂移现象。产生漂移的原因是：HEMT沟道外延层表面存在缺陷陷阱，会慢慢积攒起正向抵消电荷，相当于器件内部固有栅压悄悄变了。就算没有射频信号输入，AB类静态漏极电流也会跟着偏移。虽然我们可以重新微调栅压，把漏极电流拉回最初设定值，但器件整个生命周期里漂移不会彻底消失，只是前期漂移快，后期速率会变得特别缓慢。
如果输入端加了大功率射频信号，陷阱电荷填充速度会明显加快。大功率驱动下，漏极电流会自动回升到理想值，输出功率和效率就能拉满。大部分GaN管子的AB类初始静态工作点允许设置区间比较宽，哪怕初始偏置稍微浮动，整机性能依然稳定。
实用解决办法：AlGaN器件的初始偏置电压可以比理论最优值稍微调高一点，经过24～48小时通电老化之后，工作点自然漂移回落至目标区间，后续就能稳定使用。
三、温度补偿设计要求
AlGaN/GaN碳化硅基HEMT管子想要AB类静态工作点长期不变，还得跟着器件工作温度做补偿。导电沟道温度一变，栅极偏置电压就得同步跟着调整。常规GaN器件本身，温度每升高1℃，栅压需要往上抬大约1mV。
而芯片实际工作温度又和散热片、整台功放机壳温度绑定在一起。主流偏置电路都会加装散热片温度采样传感器，实时采集温度，自动微调发给管子的栅压，整套系统整体补偿系数一般按每℃+2mV来设计。下面图片栅压Vgs、静态漏极电流Idq随温度变化曲线。
四、栅极漏电流
虽说AlGaN/GaN高电子迁移率射频管属于场效应管，但它的栅极等效成了一只会漏电的肖特基二极管，所以必然存在少量栅极漏电流。偏置电路必须具备双向吞吐电流的能力，不管射频输入功率大小怎么变，都能稳稳锁住栅极偏置电压。
栅极漏电流是双向流动的：小信号驱动时，电流从器件栅极往外流，灌进偏置电路；大功率射频输入时，栅极二极管对射频信号整流，电流反倒会流进器件内部。漏电流大小和芯片尺寸、功率等级直接挂钩，管子芯片面积越大，栅极漏电流也就越大。设计偏置电路时，必须把漏电流的波动范围考虑进去，做好对应的调控。
五、用于计算平均无故障时间（MTTF）的温度测试方案
碳化硅基底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的可靠性，完全由栅极、漏极之间有源沟道的温度决定。
这类器件的失效判定标准：栅极金属原子往沟道内部扩散，引发栅极下沉失效，最终导致沟道导电能力下降10%，就判定器件失效，下图是准GaN器件完整散热堆叠结构。
器件沟道尺寸极小，有源沟道内部还有金属布线层，没法直接用红外测温显微镜测出芯片实际工作温度。实际做法是搭建沟道三维模型，借助有限元仿真来计算工作结温。
想要验证ANSYS三维仿真模型准不准，就得专门制作直流测试样片，搭配高精度红外显微镜实测校核。红外显微镜的测温光斑尺寸偏大，建模时必须把这个限制考虑进去，三维模型的几何尺寸要和红外相机的测温范围对应对齐。只要实测数据和仿真计算结果误差控制在5%以内，就认定这个仿真模型可靠可用。
六、温度测算公式与特性曲线说明
下图列出了器件热阻的具体计算公式示例；
下两幅图则展示的是：固定静态漏极电流Idq不变时，栅极电压Vgs随温度变化的常规曲线。
器件的热阻还会跟着脉冲宽度、占空比变化。绝大多数器件手册里都会配一张和上面类似的热阻曲线图。短脉冲、低占空比工况下，热阻数值更低；反过来，不断加宽脉冲、拉高占空比，热阻就会慢慢往上走，最后曲线收拢稳定到一个固定数值，这个值就是器件连续波（CW）模式下的标称热阻。
这张曲线图，是根据短时间内实测得到的数据做外推运算，预估出来的平均无故障时间（MTTF）。
七、平均无故障时间MTTF计算
AlGaN器件判定失效的标准，就是栅极金属下沉，造成沟道电阻变大10%。我们会制作专用测试样片来实测，再做数据外推估算寿命。
厂商会把这些测试样片放在极高温度下长时间老化测试，拿到自家多款GaN芯片结构的真实寿命数据。上图左上角方框里就是实测数据点，累计测试时长大概5000小时。之后基于225℃下的失效速率做外推计算，直接推算到一千万小时，也就是近千年的寿命区间。
能看出来，估算GaN器件的MTTF并不是件简单事，要用到多种测试手段和仿真工具。只要仿真流程做得规范，预估出来的MTTF和器件真实使用寿命误差能控制在±5%以内。
最后总结一下：
总的来说，GaN高电子迁移率管，和传统基站常用的LDMOS管相比，设计上要面对不少独有的难题。两种技术路线各有优劣。
搞定前面提到的五项GaN专属设计要点确实费功夫，但换来的性能提升大多值得投入这些时间。如果设计师想要更高效率、更高功率密度，或是工作在更高频段，GaN就是非常合适的替代方案。
