解决基站设计难题:这三条电容选择原则很重要!

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随着使用频带的高频化、尺寸的小型化,基站设计越发受到有限的基板空间上可搭载的元件数量及尺寸的制约,以及元件使用温度的制约等方面的影响。5G商用化全面铺开还将给基站设计带来更多难题。

5G基站

5G基站种类更多,包括各种不同尺度的蜂窝部署,数量将比现有移动互联基站增加十倍。(图片来源:Murata and OMDIA)

怎样更好地解决基站设计的难题?村田制作所认为解决基站设计中的此类问题,要在电容器选择方面下工夫,设计中选择使用合适的电容器建议遵循三个原则:

  • 可保证高温环境下使用
  • 小型且具有优良高频特性
  • 能减少搭载元件数量

适应高温环境使用

5G基站

基站用PA由于电路基板和元件发热产生高温。特别是功放的晶体管发热尤其厉害,安装在其周围的DC截止用、匹配用电容器也因此需要经受高温。此外,接受放大电力的电容器本身发热从而温度升高。

传统对策及局限 
传统上,作为DC截止用、匹配用电容器使用的多数High-Q电容器,其使用温度上限是125℃。因此,通常基站中都需要利用散热器设计等方法来降低周围温度,通过改变DC截止用电容器的使用方法和抑制电容器本身发热,使125℃保证的电容器能够在额定的温度范围内正常工作。

传统对策及局限

但是,近年来,随着Multiple-Output化(Tx增加)加速,一方面元件数量增加,而由于基站尺寸小型化,散热器等散热对策可用的空间越来越少。

另一方面,使用频带的进一度高频化,元件发热进一步增大,将电容器周边温度和自身发热抑制在125℃,在电路设计上的制约案例中变得尤为显著。

村田150℃保证High-Q值电容

村田制作所的High-Q电容器,除传统125℃保证品(C0G特性),又将150℃保证品(X8G特性)新增到产品阵容。通过降低DC截止用、匹配用电容器周边温度的制约,提高了基站设计的自由度。

村田制作所的GQM系列(X8G特性)电容,即使是在高温环境下也能使用,150℃下保证High-Q值,非常适合作为主要移动通信设备基站及相关模块的温度补偿型电容,用于谐振电路、调谐电路、阻抗匹配电路等电容容值变化会对设备运行造成较大影响的高频温度补偿电路中。

    村田GQM系列(X8G特性)电容

产品型号

产品型号

产品规格

产品规格

小型且具有优质高频特性

小型且具有优质高频特性
随着基站用PA Multiple-Output化(Tx的增加),安装元件数量增加;另一方面,设备尺寸则要求和原先一样或者更加小型化。因此,电路基板的高密度化就变得越发重要。

匹配用电容器尺寸变小自然不错,但是一般来说,尺寸小的电容器Q值变低,额定电压也变低。此外,因为频带越高Q值越低,所以又需要尽可能选择Q值高的电容器。但是以高频标准选择的静电容量小的电容器,在构造上、High-Q规格上与标准规格相比,很难获得Q值的改善效果。

Q值的改善效果

0402尺寸High-Q电容产品特点

村田制作所的High-Q电容器除传统的0603尺寸外,新增了0402尺寸到产品阵容。通过独创的构造、材料,即使静电容量值很低,与标准规格产品(GRM系列)相比,也可实现高Q值。因兼具匹配用电容器的小型化和高Q值,有助于实现高频PA电路设计的高密度化。

0402尺寸High-Q电容产品特点
村田0402尺寸High-Q电容器GQM系列,采用在高频中对电介质材料损耗非常小的陶瓷材料,内部电极使用卑金属电极,在VHF、UHF、微波频率帯中实现了高Q、低ESR。

产品型号

产品型号

产品规格

产品规格
能减少搭载元件数量

能减少搭载元件数量
伴随着基站PA用GaN高频大电力晶体管的普及,与传统的Si LDMOS晶体管相比,大电力化、高温动作对应、高速(高频)工作对应等PA性能显著提升。晶体管性能提升的同时,这也意味着周边元件需要具有更加严酷的使用环境耐性。

怎样抑制陶瓷电容器占有面积 

为使PA动作稳定,使用环境变化对于选择大静电容量所需要的Vdrain的晶体管用电容器产生很大的影响。

电解电容器具有每个都能获得大的静电容量的好处,但因在类似基站PA这样的高温、在长时间连续工作的环境下存在可靠性方面的风险,所以不受欢迎。现在Vdrain的晶体管用电容器多采用通过将10~20个1210尺寸的多层陶瓷电容器(125℃保证、50Vdc~100Vdc、4.7uF~10uF)并列连接,保证静电容量的设计。

并联使用通用型电容器导致占用面积增大

并联使用通用型电容器导致占用面积增大

但是,近几年通过使用GaN晶体管使大电压工作成为可能,设计出漏极电压从28V提升至48V也能工作的产品。高介电质常数的陶瓷电容器随着施加电流增大,具有静电容量的实效值变低的特性,所以为了确保静电容量,必须增加并联连接电容器。而另一方面,由于Multiple-Output化,安装元件数量增加,去耦用电容器的占用面积反倒需要减少。

带金属端子多层陶瓷电容器

村田制作所将通过使用双层叠加MLCC,获得小占用面积大静电容量的带有金属端子的电容器增至产品阵容。

节省空间、耐高压、大容量 KRM系列(双层叠加)

节省空间、耐高压、大容量 KRM系列(双层叠加)

产品特点

大型(2220)尺寸的片状多层陶瓷电容器可以不用担心由于机械压力产生的裂纹和温度循环产生的焊接裂纹。

这是因为多层陶瓷电容在贴片的外部电极上接合金属端子。金属端子的弹性作用可以缓和施加在贴片上的应力。通过金属端子吸收压力,成功将风险控制到超小:

  • 大幅降低啸叫及基板的扭曲裂纹、焊接裂纹。
  • 即使在基板偏转量为6mm的情况下也不见破坏。
  • 即使热应力循环2,000次也不会产生焊接裂纹。

产品特点
金属端子设计缓解应力风险和啸叫的研究

与传统陶瓷电容器比较,KRM系列能够更好应对啸叫现象
与传统陶瓷电容器比较,KRM系列能够更好应对啸叫现象
(* MLCC啸叫现象研究和对策,请参见本期下一篇图文)

金属端子电容器能够承受至少6毫米的基板偏转变形量
金属端子电容器能够承受至少6毫米的基板偏转变形量

金属端子电容器热应力可靠性大大提升

金属端子电容器热应力可靠性大大提升

村田KRM系列通过重叠2个电容器实现大容量化。通过实现晶体管Vdrain去耦用电容器节省空间和大容量的特性,从而提高了基站设计的自由度。

村田KRM系列通过重叠2个电容器实现大容量化
产品规格

产品规格

关于村田

株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。

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