כיצד לפתור את בעיית החימום של דיודות במעגלי תקשורת?

1, מנגנון החימום של דיודות בתרחישי תקשורת
הייחודיות של מעגלי תקשורת מובילה לשלושה מאפיינים עיקריים של חימום דיודות: אובדן מיתוג תדר גבוה {}}}, אובדן התאוששות הפוך ואובדן פרמטר טפילי. נטילת מודול PA של תחנת בסיס 5G כדוגמה, תדר ההפעלה שלו חרג מ- 4GHz, והדיודה צריכה להשלים את מיתוג ניתוק ההולכה בתוך ננו -שניות. בשלב זה, אף על פי שזמן ההחלמה ההפוך (TRR) של דיודות התאוששות מהירה מסורתית (FRDS) עבר אופטימיזציה ל 20 - 50ns, עדיין מתרחשים הפסדים משמעותיים תחת מיתוג בתדר גבוה. על פי החוק של ג'ול, כאשר תדר המיתוג עולה מ- 1MHz ל- 10MHz, אובדן המיתוג של הדיודה יגדל באופן אקספוננציאלי.
אובדן התאוששות הפוך הוא מקור חום עיקרי נוסף. כאשר הדיודה עוברת ממצב המוליך למצב הניתוק, יש לבטל את נושאי המיעוט המאוחסנים בצומת PN באמצעות רקומבינציה או מיצוי, וזרם ההתאוששות ההפוך (IRR) שנוצר על ידי תהליך זה יכול להגיע 1.5 - פעמים מזה של הזרם קדימה. במעגל ההמרה של DC-DC של אספקת חשמל לתקשורת, אם נבחר דיודה לשחזור מהיר עם TRR =35 NS ו- IRR =2 A, אובדן ההתאוששות ההפוך של צינור יחיד יכול להגיע ל 0.7W בתדר מיתוג של 1MHz, המוביל ישירות לעלייה בטמפרטורת הצומת.
אובדן הפרמטרים הטפילי מקורו בהשראות הארוז (LPAR) והתנגדות עופרת (RLEAD). בתרחישים של תקשורת גל מילימטר (24-100GHz), השראות טפיליות של 0.5NH יכולה לייצר מתח יתר של 5V כאשר זרם של 10A משתנה, ולגרום לצריכת חשמל נוספת. ציוד תקשורת לווייני מסוים חווה פעם אי ספיקת תרמית של מודול עקב התנגדות עופרת דיודה לא מותאמת, וכתוצאה מכך עלייה של 0.3 וולט בצריכת חשמל צינור יחידה.
2, אתגרים מיוחדים של מעגלי תקשורת
ציוד תקשורת מטיל ארבע דרישות קפדניות על דיודות:
תאימות בתדירות גבוהה: תחנות בסיס 5G דורשות רכיבים לתמוך ברצועת התדר 0.3-6GHz, ותדר הניתוק (FT) של דיודות SI מסורתיות הוא רק 100-300MHz, שקשה לעמוד בדרישות.
מאפיין אובדן נמוך: מודול התקשורת האופטית דורש ירידת מתח הולכה של דיודה (VF) של פחות מ- 0.3 וולט כדי להפחית את הנחתת האות.
תקן אמינות גבוה: תקשורת אווירית מחייבת רכיבים לפעול ביציבות בטווח טמפרטורה של -55 מעלות ל +125, עם קצב כישלון (התאמה) של פחות מ- 10 ^ -9/שעה.
דרישת מיניאטוריזציה: מודול ה- T/R של מכ"ם מערך שלב צריך לשלב מאות דיודות, וצריך לשלוט על גודל של רכיב יחיד בתוך 0.5 מ"מ × 0.5 מ"מ.
יצרן תחנות בסיס מסוים השתמש בעבר בדיודות שוטקי מסורתיות (SBDs) לסינתזת כוח, אך בגלל המכשיר TRR =10 ns, היעילות פחתה ב -5%. בסופו של דבר הם עברו לחצי גנים עם דיודות התאוששות Ultrafast (UFRDS), מה שהגדיל את יעילות המערכת ל 92%.
3, פיתרון שיטתי
(1) אופטימיזציה לרמת המכשיר
חדשנות חומרית: השלישית - חומרי מוליכים למחצה (GAN, SIC) הראו יתרונות משמעותיים. ניידות האלקטרונים של דיודות GAN היא פי 5 מזו של SI, עם תדר ניתוק של עד 10GHz וירידה של 70% בהתנגדות (RDS (ON)). לאחר השימוש ב- SIC SBD בעומס של לוויין מסוים, הוא נשאר יציב בטמפרטורה גבוהה של 200 מעלות והפחית את צריכת החשמל ב -60%.
חדשנות מבנית: טכנולוגיית צומת סופר הומוגניזציה של חלוקת השדה החשמלי על ידי סידור עמודות P/N לסירוגין, ומפחיתה את ה- VF של 600 וולט SIC SBD מ- 1.7V ל- 1.1V. מבנה MOSFET טרנץ 'מצמצם את ההתנגדות ב- 2M Ω · ס"מ ² במבנים מישוריים מסורתיים ל 0.5 מ' Ω · ס"מ ².
פריצת דרך תהליכים: השימוש בטכנולוגיית השתלת יונים מאפשר שליטה מדויקת בריכוז הסמים, ומפחית את מטען ההחלמה ההפוך (QRR) מ- 50NC ל- 5NC. יצרנית מודולים אופטיים מסוימים קיצרה את זמן התגובה של דיודות סיכות של 10 ג'יגה -סיביות ל- 30ps על ידי אופטימיזציה של עובי השכבה האפיטקסיאלית.
(2) תכנון ברמת המעגל
טכנולוגיית תיקון סינכרוני: על ידי החלפת דיודות מסורתיות ב- N - מסוג MOSFETs, היעילות של ספקי כוח תקשורת 48 וולט שופרה מ- 85% ל- 94%. לאחר אימוץ טכנולוגיה זו, מרכז נתונים מסוים השיג חיסכון שנתי של 1.2 מיליון קוט"ש.
טופולוגיית מיתוג רך: ממיר תהודה LLC משיג מיתוג מתח מתח (ZVS) דרך זרם תהודה, ומפחית את לחץ מתח הדיודה ב- 40%. באספקת חשמל לתקשורת של 5KW, טופולוגיה זו משיגה פריצת דרך יעילות של 96% ומפחיתה את עליית הטמפרטורה ב -15 מעלות.
אופטימיזציה של פריסה: טכנולוגיית אריזת תלת מימד משמשת לשילוב אנכית דיודות עם שבבי נהג, ומפחיתה השראות טפילית מ- 3NH ל- 0.5NH. ניתוב PCB מסוים של תחנת בסיס קטנה של 5G מותאם ל- PCB להפחתת השראות לולאת דיודה מ- 10NH ל- 2NH, ומפחית את הפסדי המתג ב- 65%.
(3) ניהול תרמי ברמת המערכת
חומר לשינוי פאזה (PCM): משובץ ב- PCM מבוסס פרפין באריזת דיודה, תוך שימוש בחום ההיתוך הסמוי שלו (200-250J/G) כדי לספוג חום שיא. ניסויים הראו כי PCM יכול להפחית את המשרעת של תנודות טמפרטורת הצומת ב- 40% בצפיפות שטף חום של 10W/ס"מ ².
קירור מיקרו -ערוצי: כיורי חום מיקרו -ערוציים מבוססי סיליקון משמשים במודול AAU של תחנת הבסיס, עם רוחב תעלת קירור מים של 50 מיקרומטר בלבד ומקדם העברת חום משכנע של 10 ^ 4W/(M ² · K). מבחן בפועל של מפעיל מסוים מראה כי טכנולוגיה זו מצמצמת את עליית הטמפרטורה של דיודות מ 65 מעלות ל 38 מעלות.
אלגוריתם בקרת טמפרטורה אינטליגנטי: על ידי מעקב אחר השינויים ב- DIODE VF בזמן אמת (VF יורד בכ- 2MV לכל עלייה של כל מעלות בטמפרטורה), תוך התאמה דינאמית של תדר המיתוג ומחזור החובה. לאחר אימוץ אלגוריתם זה, מכשיר הילוכים אופטי מסוים יכול לשלוט על תנודת כוח הפלט בתוך ± 0.5dB בסביבה של -40 מעלות ל +85.
4, מקרי תרגול בתעשייה
Huawei אימצה סכמת סינתזת כוח באמצעות Gan Hemt בשילוב עם SIC SBD בתכנון אנטנות MIMO מאסיביות של 5G, מה שהגדיל את כוח תפוקת הערוץ היחיד מ- 40W ל- 64W עם יעילות של 48%. תאגיד ZTE מיישם טכנולוגיית תיקון סינכרוני Trench MOSFET במודולי העברה אופטיים, ומפחיתה את צריכת החשמל של 200 גרם מודולים אופטיים מ- 24W ל- 18W. אריקסון משלב מערכות קירור מיקרו -ערוציות באספקת חשמל בתחנת בסיס, ומאפשר לצפיפות הספק לעלות על טמפרטורת צומת 1 קילוואט/ליטר וטמפרטורת דיודה כדי להישאר יציבה מתחת ל 85 מעלות.