1800W！突破LDMOS的功率极限，全靠这一招儿

NXP管管

随着工业、科技和医疗应用从使用真空管向固态电子技术转变，相应地也需要射频系统达到越来越高的功率水平。这一转变使得每个系统中的射频功率晶体管数量倍增，也导致损耗增加、功率放大器尺寸增大，电源管理更为复杂。因此，对每个射频晶体管更高输出功率的需求日益增长。

硅横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）是大功率射频设计运用的主导技术。十年前，行业采用50V的漏极电压，以达到每个晶体管1kW的输出功率。随着时间的推移，50V LDMOS技术改进了耐用性和功率密度，去年达到单个器件1500W。连续波输出功率水平构成了50V能达到的功率上限，且不影响易用性。

如何提升射频晶体管功率？

这使得市场期待更高电压的技术。主要有以下原因：提升射频晶体管的输出功率有四种方法，其中两种只需在芯片上增加更多LDMOS外设，通过增大芯片尺寸，或者提高芯片内有源硅的密度（即整个栅极宽度）来实现。然而，这两种解决方案都增加了晶体管的寄生输出电容(Cds)，使之难以匹配50Ω电阻。

第三种方法是进一步优化现有的50V LDMOS技术， 提高LDMOS的功率密度（即W/mm）。这种方法没有从根本上解决射频晶体管设计中的此消彼长难题。如摩托罗拉1991年应用笔记AN1526所述，输出电阻是漏极电压和输出功率的函数，如下式所示:

RL=V2/2P

增加输出功率P，需降低输出电阻RL，使晶体管难以匹配50Ω电阻。

第四种提高输出功率的方法是提高漏极电压V，这会带来两方面的好处：增加电压可以提高功率密度，并获得更高的输出功率且无需扩大LDMOS外设；这使得输出电容Cds保持在期望水平。更重要的是，根据上述公式，提高漏极电压V，有助于在P增加时保持现有的输出电阻RL。例如，一个1800W、50V推挽式晶体管的输出阻抗为：

在低频时，需要18:1的转换比与50Ω匹配。而一个1800W、65V推挽式晶体管具有更“友好的”4.7Ω输出阻抗，只需更低的10:1的转换比，因此可用于更高频率和宽带应用。此例说明，提高漏极电压可以获得更高功率水平而不影响易用性，同时输出RL和Cds保持在一个适当水平。

全新65V LDMOS技术来了！

对于开发更高漏极电压的器件，需要多年的硅技术研发工作才能在导通电阻、耐用性和可靠性之间找到适当的平衡点。2017年初，恩智浦推出全新的65V LDMOS技术，带来了新一代射频功率晶体管：MRFX系列。此项技术面向1.8~400MHz工业、科技和医疗应用，例如激光或等离子生成、粒子加速器、工业加热、核磁共振成像和透热疗法，以及FM、VHF电视广播发射机和HF/VHF航空航天与国防应用。


MRFX系列的首款器件已于2017年8月发布。 MRFX1K80H提供1800W连续波输出功率，可用于30至65V的漏极电压环境。具有0.09°C/W的低热阻，并且能在所有相角下承受65:1 VSWR反射能量，无性能下降。各种频率下的典型射 频性能见表1。

这款新型晶体管展示了将漏极电压从50V提高到65V，可为射频功率放大器设计人员带来五大利好：

65V漏极偏置电压将功率提高到1800W。


同时维持适当的输出阻抗。


由此带来第三个好处：MRFX1K80H与市场上现有的50V LDMOS解决方案引脚兼容。由于这款1800W、65V晶体管与1250W、50V晶体管的输出阻抗接近，因此可以使用相同的PCB（图1）。根据频率和带宽，只需很少甚至无需重新调整，能够缩短开发周期，加快产品上市速度。


第四个好处是更高电压降低了系统电流，限制了磁辐射，也降低了对电源和元器件的要求。



最后，新的65V LDMOS技术的典型击穿电压为193V。更高的安全裕量提高了耐用性和可靠性，能在更高能效等级工作。

图1，MRFX1K80H与现有50V LDMOS器件引脚兼容，使用相同的PCB，只需很少甚至无需重新调整，即可获得更高功率

恩智浦保证MRFX1K80H持续供货15年。数据手册、仿真模型和其它工具可从恩智浦网站下载。各种频率的参考电路可 从恩智浦授权代理商处获得。

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作者：NXP　　　　　　文章出处：NXP客栈

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