射頻電源設計和布局指南

2021-09-01

射頻電源設計和布局指南

電源設計可能比簡(jiǎn)單地將直流電源線(xiàn)連接到您的組件要復雜得多。RF 電源設計需要特別小心，以確保它們能夠正常工作，而不會(huì )在系統各部分之間傳輸過(guò)多的噪聲，由于所涉及的高功率水平，這變得更加困難。除了仔細布局之外，還需要設計電路，以便系統為系統的每個(gè)子部分提供高效的電源轉換和傳輸。

超高功率系統仍采用分立組件設計，這些組件可能連接在大型外殼或機柜中，但較小的電源系統可以放置在帶有一些較新組件和電源調節策略的 PCB 上。這些系統中的挑戰分為兩個(gè)主要領(lǐng)域：

FET 和放大器中的熱量產(chǎn)生，這促使使用先進(jìn)的半導體（如GaN on SiC）進(jìn)行射頻放大

寄生效應可能會(huì )導致高功率沿供電線(xiàn)泄漏到附近的電路中，這需要仔細放置和布線(xiàn)

當為電源電路選擇組件并將其放入原理圖時(shí)，第一點(diǎn)發(fā)生在前端。上面的第二點(diǎn)是布局和布線(xiàn)變得更加重要的地方。我們將在本文中對這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行一些介紹，以便新的 RF 設計人員可以在布線(xiàn)之前完成堆疊和布局。

開(kāi)始您的射頻電源設計

從電路設計的角度來(lái)看，RF 電源需要一些與用于 DC 系統的任何其他電源相同的調節和過(guò)濾級。RF 電源的主要作用是以感興趣的頻率向 RF 系統供電，其中包括用于生成和調節 RF 信號的標準組件（振蕩器、有源濾波器、放大器等）。電源還需要能夠響應調制。除了適應調制之外，RF 電源設計還應具有與典型 RF 電路板相同的一些要求，即高頻下的低損耗，以及足夠高的額定溫度和熱性能。

下面的框圖從高層次上展示了如何在高頻下產(chǎn)生 RF 功率。

帶有射頻放大器的射頻電源拓撲。

RF 電源也反向工作，它們接收 RF 信號并將其整流為直流電壓。這需要構建一個(gè) RF 整流器電路，我們不會(huì )在本文中詳細介紹它，因為它可能會(huì )涉及很多。相反，我們將專(zhuān)注于 RF 采購方面。

調節器和過(guò)濾

需要以高頻率（即高 MHz 或 GHz）供電的 RF 電源通常由分立元件構成。但是，您可以將上述所有部分放在同一塊板上。第一步是調節器選擇和濾波器設計。在上面的框圖中，需要構建高階濾波器和開(kāi)關(guān)穩壓器以遵循任何調制信號的包絡(luò )（對于 AM 輸出），或在基帶頻率（對于 FM 輸出）調制其輸出。這可能需要您的設計采用多相、多級拓撲

在選擇任何下游穩壓器（可能是開(kāi)關(guān)或 LDO）時(shí)，請注意效率。如果您使用的是 LDO，電壓差不應太高，因為這會(huì )降低 LDO 上的大量功率，并且組件的高熱阻會(huì )導致其迅速升溫至高于其額定溫度。在我公司最近制造的一個(gè)原型中，我們選擇了通過(guò)外殼進(jìn)行傳導冷卻的 LDO。如果需要大幅降低電壓，則應使用開(kāi)關(guān)穩壓器并應用另一個(gè)更高階的濾波器，以確保為 VDD 端口、VGG 端口和振蕩器提供低噪聲。

如何處理地面

就像任何其他混合信號設計一樣，不要嘗試通過(guò)在分離接地上布線(xiàn)來(lái)將您的開(kāi)關(guān)穩壓器輸出（如果您正在使用）與 RF 部分進(jìn)行電流隔離。您將產(chǎn)生與單端數字信號通過(guò)接地層的間隙時(shí)所看到的相同類(lèi)型的 EMI 問(wèn)題。這是混合信號系統中的常見(jiàn)錯誤，假設開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出是純直流，很容易在 RF 系統中犯同樣的錯誤。即使使用包絡(luò )跟蹤，您仍然會(huì )在基帶頻率上獲取時(shí)間平均功率，該頻率可能約為數十或數百 MHz。

穩壓器輸出和放大器/振蕩器部分之間接地不良的示例。在此接地平面間隙上以高頻布線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生輻射 EMI。

保持均勻接地并練習良好放置，同時(shí)保持共面線(xiàn)上的阻抗控制，而不是嘗試采用簡(jiǎn)單的路線(xiàn)并拆分接地層。如果可以把射頻元件放在自己的部分，把直流/穩壓元件放在自己的部分，只要能正確跟蹤返回路徑，就可以防止它們之間的干擾。

疊層設計和材料選擇

在設計疊層時(shí)，您需要考慮穩壓器的工作頻率以及電路板上 RF 線(xiàn)的長(cháng)度。對于較長(cháng)的射頻線(xiàn)路，您需要使用低損耗層壓板，可能是PTFE 層壓板。不走長(cháng)線(xiàn)的射頻電源，或者如果您只是不擔心損耗，您通?？梢允褂?span> FR4 層壓板作為疊層材料。兼顧低損耗和低成本的一種方法是使用帶有支持射頻線(xiàn)路的低損耗電介質(zhì)的混合疊層。

上面帶有接地電源軌布線(xiàn)的示例可以在 4 層板上完成，只要您還在表面層布線(xiàn) RF 線(xiàn)即可。您還可以使用統一接地和電源平面從穩壓器部分向組件提供電源，并在表層上布線(xiàn) RF 線(xiàn)以保持 4 層板。這是在表面層使用具有低損耗 PTFE 的混合疊層的好方法。但是，您可以在該電路板中可靠實(shí)現的唯一隔離來(lái)自布線(xiàn)中的共面性，即來(lái)自您在 RF 線(xiàn)路和組件周?chē)胖玫倪^(guò)孔柵欄，以防止電路板部分之間的噪聲耦合。

這些 4 層堆疊可用于低或中等功率級別。目標是在功率級別增加時(shí)提供隔離，并適應更高功率級別可能需要的高電壓/電流。

當您需要使用更高功率同時(shí)提供高隔離時(shí)，您也可以使用 6 層或 8 層堆疊進(jìn)行此類(lèi)設計。例如，您可以將 L3 設為兩個(gè) GND 平面（在 L2/L4 上）之間的共面 RF 線(xiàn)的信號層，然后在 L5 上放置電源，并可能在表面層或 L6 上路由您可能需要的任何其他信號。 這對于需要大量隔離的高功率設計更好，因為接地平面將在層之間提供屏蔽。

這種 8 層堆疊為內層的 RF 信號提供了電源平面和高隔離度。通過(guò)去除兩個(gè)底層，這也可以用作 6 層板。

通過(guò)在設計的不同部分之間提供隔離，您可以幫助防止允許噪聲傳播到輸出中的寄生耦合類(lèi)型。電源的輸出應具有足夠低的噪聲和失真，以便為其他組件提供干凈的電源。在這種類(lèi)型的設計中有兩個(gè)主要的噪聲源：

來(lái)自開(kāi)關(guān)穩壓器或嘈雜直流輸入的噪音。 

噪聲從輸出耦合回放大器輸入

這兩點(diǎn)都可以通過(guò)這里提到的疊層設計技巧以及遠離 RF 輸出部分的噪聲部分的智能放置來(lái)解決。第二點(diǎn)在更高頻率下更具挑戰性，通過(guò)耦合回放大器級的輸入，可以看到 RF 輸出經(jīng)歷正反饋。路由和過(guò)濾也非常重要，因為它們可以幫助提供額外的隔離和噪聲消除。

布局和布線(xiàn)

設計的這兩個(gè)方面至關(guān)重要，因為您需要抑制我在以上兩點(diǎn)中提到的噪聲問(wèn)題。將 RF 走線(xiàn)從振蕩器、放大器和接地共面波導（在表面或內部層）連接到輸出，以確保有一定的隔離。不要使用保護走線(xiàn)來(lái)提供任何屏蔽，因為它們會(huì )產(chǎn)生更多的噪聲耦合；僅使用您為共面線(xiàn)計算的過(guò)孔圍欄樣式。此外，如果您在內部層上進(jìn)行布線(xiàn)，請確保通過(guò)分析您的 via stubs來(lái)確定您是否需要回鉆。

輸出可能需要的任何其他調節取決于電源的功能。它會(huì )直接路由到天線(xiàn)，還是路由到 SMA/u.FL 同軸線(xiàn)？通常將 RF 輸出通過(guò)濾波器（BAW 或 SAW 濾波器），但在選擇組件時(shí)要小心，因為芯片封裝的 BAW 和 SAW 濾波器不能總是接受某些 RF 電源中使用的高 RF 功率。

您可能需要在 RF 輸出網(wǎng)絡(luò )上使用的另一個(gè)組件包括隔離器/環(huán)行器，以防止任何反射返回放大器。您可以在輸出端使用一些 SMD 隔離器，如果您通過(guò) RF 實(shí)現功率或將 RF 輸出直接發(fā)送到天線(xiàn)，這一點(diǎn)尤其重要。

像這樣的 SMD RF 隔離器與回流焊接工藝兼容，并且可以處理高功率（高達 20 W 或更高）。

如果您確實(shí)需要通過(guò)外部 RF 模塊路由任何信號，您可以放置 SMD u.FL 或 SMA 連接器來(lái)進(jìn)行這些連接。如果您的功率水平超過(guò)電路板上等效 SMD/通孔組件的允許值，您可以根據需要將信號從電路板上取下，通過(guò)模塊，然后返回到電路板上。

總之

雖然 RF 功率放大器和電源設計通常是由分立的濾波器元件構建的，但較新的組件允許您非常積極地利用您的外形，并將許多這些元件整合到一塊板上。當然，請確保就您的疊層咨詢(xún)您的制造商，以確保它可以作為混合板制造。還要確保您在傳輸線(xiàn)設計中考慮了銅粗糙度和電介質(zhì)色散，以確保您的 RF 傳輸線(xiàn)阻抗具有典型的 50 歐姆值。