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RF功率晶体管耐用性验证方案众所周知,像硅双极晶体管等一些晶体管能够在其中一些半导体单元因短路或负载失配等原因损坏时继续工作因此,将一个器件定义为“耐用晶体管”可能没有清晰的界限对硅LDMOS晶体管的耐用性测试通常是指器件能够在高输出功率电平下承受严苛的负载失配状况而不降低性能或造成器件故障当晶体管工作在负载失配状态下时,它的输出功率有很大一部分会被反射进器件,此时功率必须在晶体管中耗散掉但在比较不同耐用性的晶体管时,重要的是检查不同器件制造商达到其耐用性结果的条件,因为不同制造商的测试条件可能有很大变化晶体管耐用性测试通常涉及在测试过程中可能变也可能不变的三个电气参数输入功率,施加到待测晶体管的直流偏置以及提供给待测器件的负载阻抗在有些情况下,晶体管制造商可能使用固定(标称)值的输入功率和器件偏置,并改变负载失配阻抗虽然这样的测试表明器件可以在这些特定条件下正常工作,但并不能深入了解器件在面临现实条件时会发生什么情况,因为在现实条件下所有三个参数都可能同时发生变化对某些器件来说,耐用性测试包括在正常工作条件下建立基准性能水平,将器件置于应力条件下(如严重的负载失配)工作然后将其恢复到基准工作条件下,以测试性能下降的水平在第二次基准测试中如果输出功率或直流参数下降幅度达20%以上,通常就意味着器件的失效VSWR一般作为品质因数用来表示负载失配的程度例如,当负载失配程度相当于
5.0:1的VSWR时,晶体管约一半的输出功率将被反射回器件当负载失配程度达到
20.0:1的VSWR时,晶体管输出功率的约80%将被反射回器件,并且必须以热量形式消散掉这些VSWR值处于多种不同的失配水平之间,用于表征射频功率晶体管为“耐用的”器件为理解认证一款射频功率晶体管为耐用器件时有何需求,比较一些例子可能会有帮助耐用性要求通常由应用来定义对于长距离的雷达系统来说,比如UHF气候雷达,天线上结冰可能引起严重的负载失配状态,其负载VSWR可达
10.0:1或更高例如,意法半导体公司(ST)提供的多款N沟道增强型横向MOSFET可工作在VSWR达
20.0:1的负载严重失配条件下型号为STEVAL-TDR016V1的器件是为频率从155MHz至165MHz的VHF航海频段设计的,可在+20VDC电源下提供30W的连续波输出功率该器件能够提供
14.7dB的功率增益和至少60%的效率意法半导体还提供多款更高频率的“耐用型”晶体管,这些晶体管可以处理VSWR为
20.0:1甚至更高的负载失配情况,不过输出功率电平会低许多对于目前市场上的几款器件来说,2O.O:1VSWR额定值甚至可能有些保守了例如,恩智浦半导体公司(NXP)至少有一款大功率器件可以承受VSWR为
65.0:1甚至更高的负载失配,而飞思卡尔半导体(Freescale)正在交付的一系列器件也能在VSWR为
65.0:1或更高的负载失配条件下正常工作这两种器件都是硅LDMOS晶体管NXP在去年于美国马里兰州巴尔的摩市举行的IEEEMTT-S国际微波大会IMS20H上就发布了型号为BLF578XR的首款耐用型晶体管ClassABmodelBLF578XR是该公司的流行型号BLF578晶体管的耐用版本,适用于广播和ISM频段应用,并可以匹配从高频至500MHz的应用在100us脉宽和20%脉冲占空比时,工作在225MHz的BLF578XR可以提供1400W的峰值脉冲输出功率该器件在这些条件下还能达到24dB的功率增益和71%的典型漏极效率,并具有集成的静电放电ESD保护功能另外,BLF578XR在108MHz、连续波状态下可提供1200W的额定输出功率为证明BLF578XR是“耐用性”晶体管,将其工作频率调整到225MHz,所有相位的负载VSWR等于
65.0:1,漏-源极电压设置为+50VDC,测得的静态漏极电流为40mA,进入负载的脉冲式输出功率为1200W显然,除了半导体裸片的功能外,封装对于允许该器件在如此严重失配条件下工作也起着重要作用该产品采用安装凸缘的陶瓷封装,在+125C时从结点到外壳的热阻典型值为
0.14K/W,在+125C时从结点到外壳的瞬时热阻典型值为
0.04K/肌因此有助于防止在严重失配条件下因反射的输出功率而导致的热量堆积经过认证的耐用性飞思卡尔半导体目前自称拥有最多种类的“耐用型”硅LDM0S射频功率晶体管,该公司在认证其具有相同脉冲和连续波输出功率额定值器件时的做法非常独特,所有器件都要通过负载失配程度相当于
65.0:1的VSWR或更高条件下的测试,通过测试的器件不能有损坏或性能下降这组器件范围从型号为MRFE6VP61K25HR6的最大功率增强型LDM0S晶体管见图——额定脉冲式峰值输出功率为1250W工作频率为230MHz,脉宽100ns,占空比20%,到125W输出功率的MRF6VP8600HR6型号——主要用于从470MHz至860MHz的广播级模拟与数字电视发射机处于两者之间的MRFE6VP5600HR6是一款LDMOS功率晶体管,可以在从
1.8MHz至600MHz范围内提供600W脉冲或连续波输出功率,MRFE6VP6300HR6则是一款增强型LDMOS功率晶体管,能够在从
1.8MHz至600MHz范围内提供300W输出功率MRFE6VP61K25HR6是一款增强型LDMOS晶体管,可在频率高达600MHz范围内提供1250W的额定脉冲和连续波输出功率,并且能够在负载失配相当于
65.0:1的VSWR条件下正常工作与其它飞思卡尔的“耐用型”器件一样,这些晶体管经过了以下耐用性认证在频率为230MHz10u s脉宽和20%占空比的脉冲条件下所有相位角可承受相当于
65.0:1的VSWR的负载失配这些器件的测试是在+50VDC电源和100mA静态漏电流条件下进行的此外,晶体管还在输入功率电平等于两倍于额定最大输入功率电平的条件下对这些器件进行了评估,结果同样完好无损这些大功率晶体管能以单端或推拉方式工作,它们实际上可工作在从30V至50V的电源下,因此具有很大的设计灵活性封装对这些器件来说也很重要,因为在不利工作条件下,大部分输出功率将被反射进有源器件和周边的封装虽然这种判断射频功率晶体管是否真正耐用的筛选方法似乎有些过分,但许多应用包括射频切割、C02激光、半导体处理设备、等离子发生器和核磁共振成像MRI系统等等可能就要求这样的耐用性另外,大功率发射应用,特别是天线必须经受住各种不同环境应力如雪和冰的应用,可能经常会遭遇严重的负载失配情况使用一组能“经受虐待”的晶体管可以极大地延长固态发射机的工作寿命。