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為射頻電源設(shè)計多相降壓轉(zhuǎn)換器
為射頻電源設(shè)計多相降壓轉(zhuǎn)換器
似乎就在昨天，我們還在談?wù)撐磥淼?span> 5G 部署，現(xiàn)在最初的 5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在美國、中國和韓國投入使用。5G 系統(tǒng)正在改變設(shè)計人員處理基站和發(fā)射器設(shè)備以及手機、汽車、中繼器和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的方式。5G 部署的進一步擴展離不開基站的更大創(chuàng)新和發(fā)射器設(shè)備向小型本地化小區(qū)的擴展，以便向用戶提供服務(wù)。
在現(xiàn)場的基站設(shè)備中，射頻電源和放大器在信號傳輸中起著核心作用，射頻電源的設(shè)計必須能夠高效支持這些系統(tǒng)中的信令。不幸的是，早期的 Si、SiC 和 GaAs 功率 MOSFET 產(chǎn)品通常無法從有源器件中散發(fā)足夠的熱量，從而使器件保持涼爽。我們在 2019 年夏天看到了這種加熱問題的變化，當(dāng)時新智能手機中的 5G 調(diào)制解調(diào)器因過熱而關(guān)閉。類似的問題也發(fā)生在基站中。
通常，您需要使用散熱器或風(fēng)扇等組件來保持功率放大器級在運行期間產(chǎn)生熱量時保持冷卻，特別是當(dāng)它們由直流電源供電時。射頻發(fā)射器系統(tǒng)需要為散熱器、笨重的外殼、風(fēng)扇和其他冷卻設(shè)備留出大量空間。以更高的效率獲得更小的 RF 電源占用空間需要幾個簡單但重要的步驟：
在 SiC 上使用更新的半導(dǎo)體器件，如 GaN FET
為電源和放大器使用替代穩(wěn)壓器拓撲，例如具有包絡(luò)跟蹤功能的多相降壓轉(zhuǎn)換器
在本文中，我們將主要關(guān)注第二點，特別是一種可以在射頻電源和放大器中實現(xiàn)更高功率轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)壓器拓撲：多相降壓轉(zhuǎn)換器。在我們介紹此設(shè)計時，我將展示一個示例，該示例使用 GaN MOSFET 作為該轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)元件，以及如何將這種類型的轉(zhuǎn)換器集成到 RF 系統(tǒng)的電源中。這種類型的電源設(shè)計旨在為具有調(diào)頻信號的射頻發(fā)射器提供穩(wěn)定的電源。
包絡(luò)跟蹤電源
向射頻功率放大器提供直流電源的一種優(yōu)選方式是使用包絡(luò)跟蹤電源。我不會詳細介紹如何設(shè)計這種特殊類型的電源，我將把它留到另一篇文章中。使用包絡(luò)跟蹤的主要優(yōu)點是操作期間散熱較少。包絡(luò)跟蹤電源跟蹤通過放大器提取的調(diào)制信號的疊加幅度包絡(luò)。通過這種方式，提供給放大器的功率在與輸入信號相同的瞬間增加或下降，因此當(dāng)內(nèi)部 FET 接近其關(guān)閉狀態(tài)時，會以熱量的形式耗散更少的功率。
射頻電源中使用的包絡(luò)跟蹤原理。
與不使用包絡(luò)跟蹤的類似電力系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)往往具有更高的峰均功率比 (PAPR)。許多類型的包絡(luò)跟蹤電源已用于線性放大器、開關(guān)轉(zhuǎn)換器和具有線性輔助開關(guān)的轉(zhuǎn)換器。減少放大器中作為熱量損失的功率的目標(biāo)是確保高效率。在射頻電源中實現(xiàn)的包絡(luò)跟蹤需要低噪聲的精確調(diào)節(jié)。與數(shù)字系統(tǒng)形成對比，在數(shù)字系統(tǒng)中，開關(guān)噪聲遠不如電源總線上的瞬態(tài)重要。因此，采用低噪聲設(shè)計可以跟蹤大帶寬（20 MHz 水平），同時還具有低關(guān)斷開關(guān)損耗。
對于包絡(luò)跟蹤射頻電源中的這種應(yīng)用，我們更喜歡多相降壓轉(zhuǎn)換器。這種類型的降壓轉(zhuǎn)換器使用具有強制相位延遲的多個驅(qū)動級來驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器電路中的標(biāo)準(zhǔn) LC 布置。出于以下三個原因，我們希望使用這種類型的降壓轉(zhuǎn)換器：
通過以低占空比運行并設(shè)置定義的相位關(guān)系，輸出電感器中的電流將看到更高的開關(guān)頻率，這有利于低噪聲。
由于#1，如果需要，以更高的組合開關(guān)頻率驅(qū)動允許您使用物理上更小的電感器。
盡管驅(qū)動輸出電感的等效開關(guān)頻率會很高，但您仍然可以在較低頻率下驅(qū)動各個開關(guān)級。
使用合適的電感器或相位延遲驅(qū)動器，可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，進一步降低軟開關(guān)期間的損耗。
多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計
下圖顯示了具有三個離散輸出電平的兩相降壓轉(zhuǎn)換器的示例電路圖。開關(guān)級是電路中最復(fù)雜的部分。然而，輸出 LC 濾波器執(zhí)行與標(biāo)準(zhǔn)（單相）降壓轉(zhuǎn)換器（低通差模濾波器）相同的功能。
2 相 3 電平降壓轉(zhuǎn)換器
只要使用正確的高頻 PWM 驅(qū)動器，這種設(shè)計就可以在 ~100 MHz 的開關(guān)頻率下運行，并具有零電壓開關(guān) (ZVS)。上面顯示的四階輸出濾波器提供所需帶寬內(nèi)的包絡(luò)跟蹤。下面示出了時序圖如何電壓控制跨越高側(cè)飛跨電容器（實施V的Ca）在其輸出電平之間的范圍內(nèi)V中/ 2和V我? 0.5 < d <1.0。總輸出電流仍包含一些紋波，但頻率是高端和低端 MOSFET 開關(guān)頻率的 4 倍。
建議的開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的降壓轉(zhuǎn)換器波形：0.5 < D < 1 對于 2 相、3 電平降壓轉(zhuǎn)換器。
飛跨電容器（C a和C b）在這里發(fā)揮重要作用，與典型的單相降壓轉(zhuǎn)換器具有相同的功能：在 MOSFET 陣列開關(guān)時定期充電和放電，從而通過輸出電感器提供功率。我想指出一個重要的結(jié)論，你可以從上面的圖表中得出一個之前可能并不明顯的結(jié)論：
多相轉(zhuǎn)換器的行為類似于以 N 倍頻率或 N 倍輸出電感驅(qū)動的單相轉(zhuǎn)換器。
這是開關(guān)轉(zhuǎn)換器的核心優(yōu)勢。用包絡(luò)跟蹤和一些低結(jié)合- [R ON的GaN FET的，從該供給由放大器汲取的電力將具有更少的噪聲，但具有較小的覆蓋區(qū)，更輕的冷卻需求。現(xiàn)在，我們需要為每個相位選擇一些 GaN FET 和輸出電感器。
電感選擇
要實現(xiàn)這種類型的系統(tǒng)，下一個任務(wù)是選擇設(shè)計中使用的 FETS 和電感器（在高端和低端標(biāo)記為 L1）。當(dāng)晶體管中的漏源電壓值由驅(qū)動器切換時，這些電感器對于驅(qū)動 ZVS 很重要。在這種類型的應(yīng)用中，氮化鎵FET和MMIC的是最優(yōu)選的用作電源系統(tǒng)的開關(guān)元件為它們的低- [R ON值和高的熱導(dǎo)率，其轉(zhuǎn)儲熱量進入PCB基板或到附近的散熱片。
雖然可能不明顯，但該系統(tǒng)中的電感器需要適當(dāng)調(diào)整大小以達到 ZVS。通過選擇合適的 L1 值，使峰間紋波電流大于平均電流值的兩倍，即可達到這種開關(guān)條件。通常，要實現(xiàn) ZVS，您需要使用復(fù)雜的控制電路，其中輸出電流將在 ZVS 周期之間動態(tài)限制。
接下來，我們來看看電感 L1，它的設(shè)計應(yīng)能適應(yīng)所需的占空比范圍。對于 N 相三電平轉(zhuǎn)換器，在具有負載電阻R L、占空比 D 和等效開關(guān)頻率f s的高端開關(guān) S1x 和 S2x 中達到 ZVS 所需的最大值 L1為：
3 電平 N 相降壓轉(zhuǎn)換器電感器。
最后，上式中的f項（等效頻率）如下所示。請注意，對于N = 2，我們得到了四倍的驅(qū)動頻率，就像我們從上圖中所期望的那樣。
N 相降壓轉(zhuǎn)換器等效開關(guān)頻率。
這些轉(zhuǎn)換器的占空比范圍可低至 0.1 至 0.9；L1 應(yīng)確定為 D 的最大值或最小值。該轉(zhuǎn)換器將連接到功率放大器輸入端，當(dāng)放大器接收到其驅(qū)動信號時，該輸入端將降至低阻抗。
場效應(yīng)管選擇
對于高頻設(shè)計，例如此處針對 4G LTE 和更高工作頻率的示例，電源系統(tǒng)需要超越 Si 功率 MOSFET。GaN FET 是此時的理想器件，因為它們在較高頻率下具有較低的導(dǎo)通狀態(tài)損耗，而在這種情況下，Si 將無法使用。最接近的對應(yīng)物是 GaAs 和 SiGe，但這些材料平臺在需要高效功率轉(zhuǎn)換的毫米波頻率下仍然表現(xiàn)不佳。
對于這種類型的 RF 電源，您需要 Si MOSFET 以外的東西有幾個原因：
較低的柵極電容
反型層與體層的高遷移率
更高的設(shè)備溫度限制
更高的擊穿場
更高的導(dǎo)熱性
較低的電容
駕駛時更深的飽和度
查看一些Octopart 搜索結(jié)果以查看一些示例組件。選擇 FET 后，您可以查看具有任意驅(qū)動信號的仿真，以確定該穩(wěn)壓器設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換效率。只要您的開關(guān) FET 的真實模型可用，您就可以通過SPICE 仿真來實現(xiàn)這一點。在這里，您需要將傳輸?shù)截撦d的時間平均輸出功率（使用輸出電壓 Vo）與不同占空比的快速電容器兩端的電壓進行比較。
這里的另一個主要電路挑戰(zhàn)是串聯(lián)連接 FET 陣列。我過去討論過并聯(lián) MOSFET 陣列，如果在陣列輸出中沒有連接一點電阻，它們就會振蕩。串聯(lián) FET 在電源系統(tǒng)中實際上更難處理，尤其是當(dāng)開關(guān)部分有高輸入電壓時。在串聯(lián)布置中，目標(biāo)是確保電壓在整個設(shè)計中均勻分布，這是非常困難的，因為結(jié)電阻是非線性的，具體取決于柵極電壓。一般來說，串聯(lián)陣列中的第一個 FET 耗散的電壓最大，因此它會首先失效。這是一個有趣的問題，但 CMOS 緩沖器的結(jié)構(gòu)表明它是集成電路設(shè)計中的一個基本問題。
多相降壓轉(zhuǎn)換器的布局技巧
布局中需要考慮的要點是隔離、FET 陣列的散熱以及如上所述在陣列中的 FET 上均勻分布壓降。
隔離：通過緊密布線來布置電路板以確保低電感是防止設(shè)計中從下游接收到過多 EMI 和噪聲的第一步。附近的接地層有助于確保低電感布線并提供一些屏蔽。
放置：考慮到 FET 的串聯(lián)布置和放置附近 PWM 控制器的需要，我會將所有東西沿線性布置放置，以確保從設(shè)計中提取的 RF 功率不會耦合回設(shè)計的輸入側(cè)。
散熱：射頻電源中所需的高級 FET 會散發(fā)大量熱量，而這些熱量需要散布到某個地方。附近的平面是一個不錯的選擇，因為熱量可以從 FET 傳導(dǎo)出去。電路板和外殼之間的熱界面材料也將有助于消除電源中產(chǎn)生的任何熱量。