Πώς να λύσετε το πρόβλημα θέρμανσης των διόδων στα κυκλώματα επικοινωνίας;

1, ο μηχανισμός θέρμανσης των διόδων σε σενάρια επικοινωνίας
Η ιδιαιτερότητα των κυκλωμάτων επικοινωνίας οδηγεί σε τρία κύρια χαρακτηριστικά της θέρμανσης των διόδων: υψηλή απώλεια μεταγωγής συχνότητας, απώλεια ανάκτησης και παρασιτική απώλεια παραμέτρων. Λαμβάνοντας την ενότητα PA του σταθμού βάσης 5G ως παράδειγμα, η συχνότητα λειτουργίας της έχει ξεπεράσει το 4GHz και η διόδημα πρέπει να ολοκληρώσει την εναλλαγή αποκοπής αγωγιμότητας εντός των νανοδευτερόλεπτων. Σε αυτό το σημείο, αν και ο χρόνος ανάστροφης ανάκτησης (TRR) των παραδοσιακών διόδων γρήγορης ανάκτησης (FRDS) έχει βελτιστοποιηθεί σε 20 - 50Ns, σημαντικές απώλειες εξακολουθούν να εμφανίζονται υπό εναλλαγή υψηλής συχνότητας. Σύμφωνα με τον νόμο του Joule, όταν η συχνότητα μεταγωγής αυξάνεται από 1MHz σε 10MHz, η απώλεια μεταγωγής της διόδου θα αυξηθεί εκθετικά.
Η απώλεια ανάκαμψης είναι μια άλλη σημαντική πηγή θερμότητας. Όταν η διόδου μεταβαίνει από την κατάσταση αγώγιμης κατάστασης στην κατάσταση αποκοπής, οι μεταφορείς των μειονοτήτων που αποθηκεύονται στη διασταύρωση PN πρέπει να εξαλειφθούν μέσω ανασυνδυασμού ή εκχύλισης και το ρεύμα ανάκτησης (IRR) που σχηματίζεται από αυτή τη διαδικασία μπορεί να φτάσει το 1,5- 3 φορές αυτό του ρεύματος προς τα εμπρός. Στο κύκλωμα μετατροπής DC-DC της παροχής ρεύματος επικοινωνίας, εάν επιλέγεται μια γρήγορη δίοδος ανάκτησης με TRR =35 NS και IRR =2 A επιλέγεται, η αντίστροφη απώλεια ανάκτησης ενός μεμονωμένου σωλήνα μπορεί να φτάσει 0,7W σε συχνότητα μεταγωγής 1MHz, οδηγώντας άμεσα σε αύξηση της θερμοκρασίας διασταύρωσης.
Η απώλεια παρασιτικών παραμέτρων προέρχεται από τη συσκευασμένη επαγωγή (LPAR) και την αντίσταση μολύβδου (RLEAD). Σε σενάρια επικοινωνίας κύματος Millimeter (24-100GHz), μια παραγωγική επαγωγή 0,5NH μπορεί να δημιουργήσει τάση υπέρβασης 5V όταν ένα ρεύμα 10Α αλλαγές, προκαλώντας πρόσθετη κατανάλωση ενέργειας. Ένας συγκεκριμένος εξοπλισμός δορυφορικής επικοινωνίας κάποτε παρουσίασε θερμική βλάβη της μονάδας λόγω μη βελτιστοποιημένης αντίστασης μολύβδου διόδου, με αποτέλεσμα την αύξηση 0,3W σε κατανάλωση ισχύος ενός σωλήνα.
2, Ειδικές προκλήσεις των κυκλωμάτων επικοινωνίας
Ο εξοπλισμός επικοινωνίας επιβάλλει τέσσερις αυστηρές απαιτήσεις στις διόδους:
Συμβατότητα υψηλής συχνότητας: Οι σταθμοί βάσης 5G απαιτούν εξαρτήματα για την υποστήριξη της ζώνης συχνοτήτων 0,3-6GHz και η συχνότητα αποκοπής (FT) των παραδοσιακών διόδων SI είναι μόνο 100-300MHz, το οποίο είναι δύσκολο να ικανοποιηθεί οι απαιτήσεις.
Χαρακτηριστικά χαμηλής απώλειας: Η μονάδα οπτικής επικοινωνίας απαιτεί πτώση τάσης αγωγιμότητας διόδου (VF) μικρότερη από 0,3V για τη μείωση της εξασθένησης του σήματος.
Πρότυπο υψηλής αξιοπιστίας: Η επικοινωνία αεροδιαστημικής απαιτεί τα εξαρτήματα να λειτουργούν σταθερά εντός ενός εύρους θερμοκρασίας -55 βαθμών έως +125 βαθμό, με ρυθμό αποτυχίας (προσαρμογή) μικρότερη από 10 ^ -9/h.
Απαίτηση μικροσκοπικής απαίτησης: Η μονάδα T/R του ραντάρ σταδιακής συστοιχίας πρέπει να ενσωματώσει εκατοντάδες διόδους και το μέγεθος ενός μόνο συστατικού πρέπει να ελέγχεται εντός 0,5mm χ 0,5mm.
Ένας ορισμένος κατασκευαστής σταθμών βάσης χρησιμοποίησε κάποτε παραδοσιακές δίοδοι Schottky (SBD) για σύνθεση ισχύος, αλλά λόγω της συσκευής TRR =10 NS, η απόδοση μειώθηκε κατά 5%. Τελικά, μετατράπηκαν σε Gan Hemts με Ultrafast Recovery Recovery (UFRDs), οι οποίες αύξησαν την απόδοση του συστήματος στο 92%.
3, συστηματική λύση
(1) Βελτιστοποίηση επιπέδου συσκευής
Η καινοτομία υλικών: το τρίτο - γενιά υλικών ημιαγωγών (GAN, SIC) έχουν δείξει σημαντικά πλεονεκτήματα. Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων των διόδων GAN ​​είναι 5 φορές αυτή του SI, με συχνότητα αποκοπής έως και 10GHz και μείωση κατά 70% στην αντίσταση (RDS (ON)). Μετά τη χρήση του SIC SBD σε ένα συγκεκριμένο δορυφορικό ωφέλιμο φορτίο, παρέμεινε σταθερό σε υψηλή θερμοκρασία 200 βαθμών και μείωσε την κατανάλωση ενέργειας κατά 60%.
Δομική καινοτομία: Η τεχνολογία Super Junction ομογενοποιεί την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου με εναλλάξ τοποθετώντας στήλες P/N, μειώνοντας το VF του 600V SIC SBD από 1,7V σε 1,1V. Η δομή MOSFET της τάφρου μειώνει την αντίσταση από 2Μ ω · cm ² σε παραδοσιακές επίπεδες δομές σε 0,5m ω · cm ².
Επιστροφή της διαδικασίας: Η χρήση της τεχνολογίας εμφύτευσης ιόντων επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της συγκέντρωσης του ντόπινγκ, μειώνοντας το φορτίο ανάκτησης ανάστροφης ανάκτησης (QRR) από 50NC σε 5NC. Ένας ορισμένος κατασκευαστής οπτικών μονάδων έχει συντομεύσει τον χρόνο απόκρισης των διόδων PIN 10GBPS σε 30Ps βελτιστοποιώντας το πάχος του επιταξιακού στρώματος.
(2) Σχεδιασμός επιπέδου κυκλώματος
Η σύγχρονη τεχνολογία διόρθωσης: αντικαθιστώντας τις παραδοσιακές δίοδοι με N - πληκτρολογήστε MOSFETs, η απόδοση των τροφοδοτικών επικοινωνιών 48V έχει βελτιωθεί από 85% σε 94%. Μετά την υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας, ένα συγκεκριμένο κέντρο δεδομένων πέτυχε ετήσια εξοικονόμηση ενέργειας 1,2 εκατομμυρίων kWh.
Η τοπολογία μαλακής μεταγωγής: ο μετατροπέας συντονισμού LLC επιτυγχάνει μετατροπή μηδενικής τάσης (ZVS) μέσω του ρεύματος συντονισμού, μειώνοντας την τάση τάσης διόδου κατά 40%. Σε μια τροφοδοσία επικοινωνίας 5kW, αυτή η τοπολογία επιτυγχάνει μια ανακάλυψη απόδοσης 96% και μειώνει την αύξηση της θερμοκρασίας κατά 15 μοίρες.
Βελτιστοποίηση διάταξης: Η τεχνολογία συσκευασίας 3D χρησιμοποιείται για την κάθετα ενσωμάτωση των διόδων με μάρκες οδηγού, μειώνοντας την παρασιτική επαγωγή από 3NH έως 0,5NH. Μια συγκεκριμένη βάσης 5G βάσης βελτιστοποιημένη δρομολόγηση PCB για τη μείωση της επαγωγής βρόχου διόδων από 10NH σε 2NH, μειώνοντας τις απώλειες διακόπτη κατά 65%.
(3) Θερμική διαχείριση επιπέδου συστήματος
Υλικό αλλαγής φάσης (PCM): Ενσωματωμένο με PCM που βασίζεται σε παραφίνη σε συσκευασία διόδου, χρησιμοποιώντας την λανθάνουσα θερμότητα της τήξης (200-250j/g) για να απορροφήσει τη θερμότητα αιχμής. Τα πειράματα έχουν δείξει ότι το PCM μπορεί να μειώσει το πλάτος των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας διασταύρωσης κατά 40% σε πυκνότητα ροής θερμότητας 10W/cm ².
Ψύξη μικροκαναλίων: Οι νεροχύτες μικροκαναλίων με βάση το πυρίτιο χρησιμοποιούνται στη μονάδα AAU του σταθμού βάσης, με πλάτος καναλιού ψύξης νερού μόνο 50 μm και συντελεστή μεταφοράς θερμότητας μεταφοράς 10 ^ 4W/(m · k). Η πραγματική δοκιμή ενός ορισμένου χειριστή δείχνει ότι αυτή η τεχνολογία μειώνει την αύξηση της θερμοκρασίας των διόδων από 65 μοίρες σε 38 μοίρες.
Ευφυής αλγόριθμος ελέγχου θερμοκρασίας: Με την παρακολούθηση των μεταβολών στο VF της διόδου σε πραγματικό χρόνο (η VF μειώνεται κατά περίπου 2MV για κάθε 1 βαθμού αύξηση της θερμοκρασίας), προσαρμόζοντας δυναμικά τον κύκλο συχνότητας μεταγωγής και λειτουργίας. Μετά την υιοθέτηση αυτού του αλγορίθμου, μια συγκεκριμένη συσκευή οπτικής μετάδοσης μπορεί να ελέγξει τη διακύμανση ισχύος εξόδου εντός ± 0,5dB σε περιβάλλον -40 βαθμούς σε +85 βαθμό.
4, περιπτώσεις πρακτικής βιομηχανίας
Η Huawei υιοθέτησε ένα σχήμα σύνθεσης ισχύος χρησιμοποιώντας το Gan Hemt σε συνδυασμό με SIC SBD στο σχεδιασμό 5G μαζικών κεραιών MIMO, οι οποίες αύξησαν την ισχύ εξόδου ενός καναλιού από 40W σε 64W με απόδοση 48%. Η ZTE Corporation εφαρμόζει την τεχνολογία σύγχρονης διόρθωσης MOSFET σε μονάδες οπτικής μετάδοσης, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας 200G οπτικών μονάδων από 24W σε 18W. Η Ericsson ενσωματώνει συστήματα ψύξης μικροκαναλίων σε τροφοδοτικά σταθμών βάσης, επιτρέποντας την πυκνότητα ισχύος να υπερβαίνει τη θερμοκρασία 1kW/L και η διασταύρωση διόδου να παραμείνει σταθερή κάτω από 85 μοίρες.