当两种竞争技术的成本近乎相同时,性能更优者往往会赢得市场。尽管受决定事件拐点的诸多因素影响,但这仍然是嵌入式电子和半导体技术生态系统领域普遍认可的行业准则。

对于涵盖烹饪、照明、医疗和汽车领域在内的各类应用,固态射频能量系统和半导体的并行发展,有望为商业市场带来巨大变革。在系统层面,磁控管作为热源和能源存在固有限制,这激发了受控的高功率射频生成和辐射技术领域的重大创新。在半导体领域,LDMOS的性能限制推动了硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术向射频半导体行业的最前沿发展。

固态射频能量技术和硅基氮化镓技术的并行发展,为原始设备制造商(OEM)在上述商业市场争夺领先地位指明了确切的道路。随着这些技术的不断发展,其市场认知度会不断提高,潜在的经济效益也会向有利方向调整,固态射频能源技术即将成为主流技术,获得全面应用。

超越磁控管

使用固态半导体器件能够生成和放大射频信号并非创新之举,这项技术是现代无线通信技术的基础。但除了可用于数据传输应用外,固态射频能量仍蕴藏着巨大潜力。这项技术在热量和能量产生方面得到越来越广泛的应用,与采用传统的磁控管相比,其可实现更高的效率并提供更优的控制能力。此外,在过去的50年中,家用微波炉也采用这项技术进行加热。

基于磁控管的射频能量输送的主要缺陷之一,是无法测量和改变在输出能量的腔室内辐射和反射的能量。磁控管可实现开环、粗略平均的能量输出,但采用多天线固态射频能源,可以提供闭环输出,并可对频率、输出功率、相位和射频信号调制实现精确控制,从而轻松评估和改变前向及反射功率水平。固态射频晶体管的使用寿命比磁控管长10倍,可确保实现更高的可靠性。

巨大的市场潜力

固态射频能量最初的目标是涵盖各种应用,但随着技术的不断发展和商业化的形成,将不断有新的应用兴起。本文将评估一些目标市场——未来几年内,射频能量将在这些市场中得到广泛采用。

固态微波烹饪

如今采用的基于磁控管技术的微波炉在烹饪时无法适应从食物反射到腔体中的能量,而是通常依靠腔体底部的旋转转盘来平均热量分布。这种不精确的能量传递通常会导致出现过度烹饪、降低食物营养价值的热区,以及对用餐体验造成负面影响的冷区。

通过在射频放大器和射频合成器之间使用多个固态功率放大器和采用闭环控制的天线来调整能量吸收和辐射,可将能量更精确地输送到所需位置,从而实现最佳温度控制。现代基于磁控管技术的微波炉通常采用湿度传感器这一间接测量模式来测量烹饪腔中的湿度,与此不同的是,固态微波炉在烹饪时测量食物本身的特性,并根据负载条件的变化和食物烹饪状态进行相应调整。这有助于保留食物中的营养、水分和美味。

固态微波炉的应用将从工业和商业烹饪市场开始,虽然在成本方面会有所提高,但这些系统将带来可观的商业价值。这将为客户带来巨大优势,主要体现在系统可靠性、食品加工速度和效率方面。随后,这种技术将走进消费者的厨房,其价值不再是简单的加热机制,而是演变为能够以无与伦比的效率和经济高效的方式烹饪出更健康、更多元化的美食的设备。

固态等离子体雷电,又称发光等离子体(LEP)

在各类应用中,等离子照明正在逐步取代LED照明和高强度放电(HID)照明。原因在于,相比于传统光源,等离子照明性能更优异,能够突破上面提到的早期磁控等离子灯在可靠性和使用寿命方面的限制。通常,这些照明应用需要高质量的光谱以及小区域内具有高流明。

与传统光源相比,等离子照明的主要优势之一,是能够从非常小的空间发射大量光线。LEP的特点是流明密度极高——指尖大小的LEP灯泡可产生10,000流明的光。相反,一个尺寸相同的高密度LED灯只能照亮约50cm2的区域。

因此,LEP非常适合需要更明亮、更高质量照明的环境,因为在外形给定的情况下,它们的照明效果优于LED、HID和卤素灯。目标应用涵盖汽车前灯、医院手术室、医学实验室、医疗内窥镜设备和显微镜以及停车场、仓库、体育场、机场和航运港口等大面积照明环境。

等离子照明显著发展的一个应用是园艺。LEP能够发射类似于自然光(包括长波紫外线和短波紫外线)的连续全光谱光,无需像LED所用的光一样进行二次荧光转换,因此,无论大型还是小型生长照明环境,都能从LEP的独特性能中获益。

医疗

当今的射频医疗设备转为加热生物细胞和组织而设计,适用于肿瘤消除和细菌灭菌等医疗治疗,侵入性极小。在半导体层面,支持高频率(较短波长)的器件能够提高射频能量场的精度并改善控制性能,因而可提高治疗精度;支持高功率输出的器件能够将更高的功率引导至治疗部位,以脱水和/或燃烧的方式除去不需要的组织。

温热疗法正迅速成为射频能量的另一个核心目标应用。此疗法通常与其他癌症治疗联合实施,医生可以使用靶向射频能量来提高患者癌症部位身体组织的温度。受控热量(104℉至108℉)作用于癌细胞并减少癌细胞复制,但不妨碍健康细胞中的DNA复制。这项技术具有成为未来几年主流癌症治疗方法的巨大潜力。

放眼未来,我们预计将基于氮化镓的射频医疗设备用于在输血和移植时加热血液和器官。输血时,射频能量可以使储存的冷冻血液迅速而均匀地加热而不会产生有害毒素,从而在紧急情况下快速输血。同样,冻结和快速解冻捐献的器官而不引起细胞损伤的能力,可以延长器官的保存期限,并增加在长时间、长距离的情况下供体/受体成功匹配的可能性。

汽车点火

在射频能量的诸多目标应用中,考虑到内燃式动力车辆对环境的巨大影响,高效率汽车点火可能是最令人兴奋的用例。现今,火花塞用于将电流从点火系统输送到车辆的燃烧室,喷射出可点燃压缩燃料/空气混合物的电火花。自19世纪问世以来,这项技术一直为我们提供出色的服务,但是射频能源有望将车辆燃料效率提高10%或更高,同时显著减少二氧化碳排放量。

相比于传统点火系统,利用射频能量取代火花塞,可以更均匀地点燃燃烧室内的燃料。通过射频能量实现的连续精确控制,可以使燃料实现更高效的燃烧,从而节约燃料并减少废气排放。

汽车制造商正面临着越来越严格的汽车排放标准难题,因此对于采用射频等离子点火系统非常感兴趣——这是一项惠及每个人的技术。在全球范围内,能够将燃烧式动力车辆的燃油效率提高10%,将成为碳排放控制领域的重大飞跃。

硅基氮化镓技术与LDMOS的未来发展

射频能量系统正加速创新,同时在半导体技术领域,硅基氮化镓相对于LDMOS也已取得重大进展。基于氮化镓的器件旨在为固态射频能量系统提供支持,在批量生产中能够实现性能、功率效率、小尺寸和可靠性的最佳平衡,并兼具极具吸引力的成本结构。

相比于LDMOS,硅基氮化镓技术提供的性能优势显而易见。正当LDMOS在功率和频率上显现出缺憾之时,硅基氮化镓却在这两个指标上彰显出了卓越的性能,同时,它还具备某些附加的技术优势。氮化镓的原始功率密度比LDMOS高很多,且支持将器件技术扩展到高频应用。硅基氮化镓的另一个明显优势是高效率,相比于LDMOS效率可提高10个百分点。如果加以适当利用,这种频效差量能够在系统层面上对商业射频能量应用产生巨大的影响。氮化镓的高击穿电压是另一个值得注意的耐用性特性,在终端设计方面非常有用。

在成本结构方面,考虑到固有的功率密度优势和向8英寸衬底的可扩展性,与LDMOS相比,硅基氮化镓有望助力射频器件在批量成产层面实现更高成本效益(以绝对美元/瓦为单位),这还没有考虑其在系统层面上的优势。而且,行业发展已为硅基氮化镓在商业化规模量产、库存维护和适应需求激增等方面打下了坚实基础。

氮化镓技术路线图和氮化镓供应链的并行优势,实现了硅基氮化镓加速向射频能量支持的商业应用渗透。对于系统设计人员和商业OEM厂商来说,权衡基于LDMOS器件与固态射频能量应用的价格/性能指标越来越重要,硅基氮化镓正日益受到人们的青睐,并有望在未来在这些应用中取代LDMOS。

协同并进

与所有新兴技术一样,射频能量技术实现商业化应用的速度,很大程度上取决于能否与协作行业建立共同的标准。在固态射频能量技术领域,射频能量联盟(RFEA)正在引领发起此类倡议,获得了来自射频半导体供应商、商用电器OEM厂商等行业领导者的支持。

这一非赢利联盟旨在帮助实现固态射频能量系统元件、模块和应用接口的标准化。另一方面,这也有助于降低系统成本、最大程度地降低设计复杂性、简化应用程序集成并加快上市速度。RFEA致力于减少系统设计负担,经常举办技术研讨会来制定有价值的行业指导方针,例如用于家用电器的射频功率放大器路线图。

商业OEM厂商已经意识到基于氮化镓的固态射频能量系统拥有的巨大市场潜力(此系统能够突破基于磁控管系统的大多数限制),但大多数系统设计人员对这项技术并不熟悉,相应的开发挑战可能会延缓其上市进程。射频技术供应商通过提供开发工具包(如MACOM的射频能量工具包)来帮助设计人员熟悉射频能量技术,并根据其独特的应用需求微调射频能量输出,以便进一步促进这项技术的发展。

磁控管技术在很多应用中的应用年限已经超出预期,而火花塞也亟待升级。固态射频能量技术的性能和效率优势,将于未来两年内在商业发布的烹饪系统中得到体现,并会在短期内进一步扩展到照明、医疗、工业加热和干燥应用领域。射频等离子汽车点火系统预计最早于2020年上市。

与基于氮化镓的固态射频能源技术相关的开发成本和半导体成本会逐步降低,最终将与传统技术的价格/性能轨迹交叠。当这一天到来时,我们烹饪食物、照亮环境、治疗疾病和为车辆提供动力的方式都将得到巨大改善,大量商业市场将发生永久性变革。

《EDN电子技术设计》2018年4月刊版权所有,转载请注明来源及链接。