Ako vyriešiť problém vykurovania diód v komunikačných obvodoch?

1, zahrievací mechanizmus diód v komunikačných scenároch
Osobitnosť komunikačných obvodov vedie k trom hlavným charakteristikám zahrievania diód: High - Strata prepínania frekvencie, strata spätného vymáhania a strata parazitických parametrov. Ako príklad, keď vezmeme modul základnej stanice 5G, jeho prevádzková frekvencia prekročila 4 GHz a dióda musí dokončiť prepínanie medzného vedenia v nanosekúndoch. V tomto bode, hoci reverzná doba zotavenia (TRR) tradičných diód rýchleho regenerácie (FRDS) bola optimalizovaná na 20 - 50ns, pri vysokofrekvenčnom prepínaní sa stále vyskytujú významné straty. Podľa Jouleho zákona, keď sa frekvencia prepínania zvyšuje z 1 MHz na 10 MHz, strata prepínania diódy sa exponenciálne zvýši.
Strata spätného vymáhania je ďalším hlavným zdrojom tepla. Keď sa diódy prepne z vodivého stavu do medzného stavu, menšinové nosiče uložené v križovatke PN je potrebné eliminovať rekombináciou alebo extrakciou a reverzný obnovovací prúd (IRR) vytvorený týmto procesom môže dosiahnuť 1,5 - 3 -násobok prúdového prúdu. V konverznom obvode DC-DC Circuit of Communication Power, ak sa vyberie rýchla regeneračná dióda s TRR =35 ns a irr =2 A, strata spätného regenerácie jednej skúmavky môže dosiahnuť 0,7 W pri spínacej frekvencii 1MHz, čo priamo vedie k zvýšeniu spojenej teploty.
Strata parazitických parametrov pochádza z zabalenej indukčnosti (LPAR) a rezistencie na olova (RLEAD). V scenároch komunikácie milimetrových vĺn (24-100 GHz) môže parazitická indukčnosť 0,5 NH vygenerovať prekročenie 5 V, keď sa zmení prúd 10a, čo spôsobí ďalšiu spotrebu energie. Určité satelitné komunikačné vybavenie raz zažilo zlyhanie tepelného modulu v dôsledku neoptimalizovaného odporu olova diód, čo viedlo k zvýšeniu o 0,3 W v spotrebe energie s jednou trubicou.
2, osobitné výzvy komunikačných obvodov
Komunikačné vybavenie ukladá na diódy štyri prísne požiadavky:
Vysoko frekvenčná kompatibilita: Základné stanice 5G vyžadujú komponenty na podporu frekvenčného pásma 0,3-6 GHz a medzná frekvencia (FT) tradičných SI diód je iba 100-300 MHz, čo je ťažké splniť požiadavky.
Charakteristika nízkej straty: Optický komunikačný modul vyžaduje pokles vedenia diód (VF) nižší ako 0,3 V na zníženie útlmu signálu.
Norma s vysokou spoľahlivosťou: Aerospace Komunikácia vyžaduje, aby komponenty stabilne pracovali v teplotnom rozsahu -55 stupňa až +125 stupňa s rýchlosťou zlyhania (Fit) menšou ako 10 ^ -9/h.
Požiadavka na miniaturizáciu: T/R modul radaru fázového poľa musí integrovať stovky diód a veľkosť jednej zložky musí byť regulovaná do 0,5 mm x 0,5 mm.
Niektorí výrobca základnej stanice raz použili na syntézu výkonu tradičné Schottky Diodes (SBD), ale kvôli zariadeniu TRR =10 ns sa účinnosť znížila o 5%. Nakoniec prešli na Gan Hemts s ultrarýchlenými regeneračnými diódami (UFRD), ktoré zvýšili účinnosť systému na 92%.
3, systematické riešenie
(1) Optimalizácia úrovne zariadenia
Materiálové inovácie: Tretí - Generačné polovodičové materiály (Gan, SIC) ukázali významné výhody. Mobilita elektrónov Gan diód je 5 -násobok kusov SI, s medznou frekvenciou až do 10 GHz a 70% znížením odporu (RDS (ON)). Po použití SIC SBD na určitom satelitnom užitočnom zaťažení zostal stabilný pri vysokej teplote 200 stupňov a znížil spotrebu energie o 60%.
Štrukturálna inovácia: Technológia Super Junction Homogenizuje distribúciu elektrického poľa tak, že alternatívne usporiadajú stĺpce P/N, čím sa znižuje KF 600 V SIC SBD z 1,7 V na 1,1 V. Štruktúra zákop MOSFET znižuje odpor od 2 m Ω · cm ² v tradičných rovinných štruktúrach na 0,5 m Ω · cm ².
Prielom procesu: Použitie technológie implantácie iónov umožňuje presnú kontrolu koncentrácie dopingu, čím sa znižuje spätný náboj na regeneráciu (QRR) z 50NC na 5NC. Určitý výrobca optického modulu skrátil čas odozvy 10 Gbps Diodes na 30ps optimalizáciou hrúbky epitaxnej vrstvy.
(2) Návrh na úrovni obvodu
Technológia synchrónnej rektifikácie: Nahradením tradičných diód n - typu MOSFETS sa účinnosť 48V komunikačných zdrojov vylepšila z 85% na 94%. Po prijatí tejto technológie určité dátové centrum dosiahlo ročné úspory energie 1,2 milióna kWh.
Topológia mäkkého prepínania: LLC rezonančný prevodník dosahuje prepínanie nulového napätia (ZVS) prostredníctvom rezonančného prúdu, čím sa zníži napätie diódového napätia o 40%. V komunikačnom napájaní 5 kW táto topológia dosahuje prielom efektívnosti o 96% a znižuje zvýšenie teploty o 15 stupňov.
Optimalizácia rozloženia: Technológia 3D balenia sa používa na vertikálne integráciu diód s čipmi vodiča, čím sa zníži parazitická indukčnosť od 3NH do 0,5 NH. Určitá 5G malá základná stanica optimalizovala smerovanie PCB na zníženie indukčnosti diódovej slučky z 10nh do 2nh, čím sa znížila straty prepínača o 65%.
(3) Tepelné riadenie na úrovni systému
Materiál fázovej zmeny (PCM): Vstavané s PCM založeným na parafíne v obale diódy, využívajúce jeho latentné teplo topenia (200-250J/g) na absorbovanie maximálneho tepla. Pokusy ukázali, že PCM môže znížiť amplitúdu kolísania teploty spojenia o 40% pri hustote tepelného toku 10 W/cm ².
Chladenie mikrokannelu: V module AAU základnej stanice sa používajú mikrokanálové drezy na báze kremíka s šírkou kanála chladiaceho vodného chladenia iba 50 μm a koeficientom konvekčného prenosu tepla 10 ^ 4W/(m ² · K). Skutočný test určitého operátora ukazuje, že táto technológia znižuje zvýšenie teploty diód zo 65 stupňov na 38 stupňov.
Algoritmus inteligentného regulácie teploty: monitorovaním zmien v Diódovej VF v reálnom čase (VF klesá o približne 2 mV na každé zvýšenie teploty o 1 stupňa), dynamicky upravuje frekvenciu prepínania a pracovný cyklus. Po prijatí tohto algoritmu môže určité optické prenosové zariadenie riadiť kolísanie výstupného výkonu v rámci ± 0,5 dB v prostredí -40 stupňa až +85.
4, prípady priemyselnej praxe
Huawei prijal schému syntézy výkonnosti s použitím Gan Hemt spárovaného so SIC SBD v návrhu 5G masívnych mimo antén, ktoré zvýšili výkonný výkon s jedným kanálom zo 40 W na 64 W s účinnosťou 48%. Spoločnosť ZTE Corporation aplikuje v optickom prenosovom moduloch technológiu Synchrónnej rektifikácie zákopu MOSFET, čím sa znižuje spotreba energie 200 g optických modulov z 24 W na 18 W. Ericsson integruje chladiace systémy mikrokannelov do zdrojov napájacích zdrojov základnej stanice, čo umožňuje, aby hustota výkonu prekročila teplotu 1 kW/l a teplotu spojenia s diódami, aby zostala stabilná pod 85 stupňov.