為射頻電源設計多相降壓轉換器

2021-08-18

為射頻電源設計多相降壓轉換器

似乎就在昨天，我們還在談?wù)撐磥?lái)的 5G 部署，現在最初的 5G 網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)在美國、中國和韓國投入使用。5G 系統正在改變設計人員處理基站和發(fā)射器設備以及手機、汽車(chē)、中繼器和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的方式。5G 部署的進(jìn)一步擴展離不開(kāi)基站的更大創(chuàng )新和發(fā)射器設備向小型本地化小區的擴展，以便向用戶(hù)提供服務(wù)。

在現場(chǎng)的基站設備中，射頻電源和放大器在信號傳輸中起著(zhù)核心作用，射頻電源的設計必須能夠高效支持這些系統中的信令。不幸的是，早期的 Si、SiC 和 GaAs 功率 MOSFET 產(chǎn)品通常無(wú)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(wèn)題的變化，當時(shí)新智能手機中的 5G 調制解調器因過(guò)熱而關(guān)閉。類(lèi)似的問(wèn)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(lái)保持功率放大器級在運行期間產(chǎn)生熱量時(shí)保持冷卻，特別是當它們由直流電源供電時(shí)。射頻發(fā)射器系統需要為散熱器、笨重的外殼、風(fēng)扇和其他冷卻設備留出大量空間。以更高的效率獲得更小的 RF 電源占用空間需要幾個(gè)簡(jiǎn)單但重要的步驟：

在 SiC 上使用更新的半導體器件，如 GaN FET

為電源和放大器使用替代穩壓器拓撲，例如具有包絡(luò )跟蹤功能的多相降壓轉換器

在本文中，我們將主要關(guān)注第二點(diǎn)，特別是一種可以在射頻電源和放大器中實(shí)現更高功率轉換效率的穩壓器拓撲：多相降壓轉換器。在我們介紹此設計時(shí)，我將展示一個(gè)示例，該示例使用 GaN MOSFET 作為該轉換器中的開(kāi)關(guān)元件，以及如何將這種類(lèi)型的轉換器集成到 RF 系統的電源中。這種類(lèi)型的電源設計旨在為具有調頻信號的射頻發(fā)射器提供穩定的電源。

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(huì )詳細介紹如何設計這種特殊類(lèi)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(diǎn)是操作期間散熱較少。包絡(luò )跟蹤電源跟蹤通過(guò)放大器提取的調制信號的疊加幅度包絡(luò )。通過(guò)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，因此當內部 FET 接近其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，會(huì )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(lèi)似電力系統相比，這些系統往往具有更高的峰均功率比 (PAPR)。許多類(lèi)型的包絡(luò )跟蹤電源已用于線(xiàn)性放大器、開(kāi)關(guān)轉換器和具有線(xiàn)性輔助開(kāi)關(guān)的轉換器。減少放大器中作為熱量損失的功率的目標是確保高效率。在射頻電源中實(shí)現的包絡(luò )跟蹤需要低噪聲的精確調節。與數字系統形成對比，在數字系統中，開(kāi)關(guān)噪聲遠不如電源總線(xiàn)上的瞬態(tài)重要。因此，采用低噪聲設計可以跟蹤大帶寬（20 MHz 水平），同時(shí)還具有低關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗。

對于包絡(luò )跟蹤射頻電源中的這種應用，我們更喜歡多相降壓轉換器。這種類(lèi)型的降壓轉換器使用具有強制相位延遲的多個(gè)驅動(dòng)級來(lái)驅動(dòng)標準降壓轉換器電路中的標準 LC 布置。出于以下三個(gè)原因，我們希望使用這種類(lèi)型的降壓轉換器：

通過(guò)以低占空比運行并設置定義的相位關(guān)系，輸出電感器中的電流將看到更高的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)允許您使用物理上更小的電感器。

盡管驅動(dòng)輸出電感的等效開(kāi)關(guān)頻率會(huì )很高，但您仍然可以在較低頻率下驅動(dòng)各個(gè)開(kāi)關(guān)級。

使用合適的電感器或相位延遲驅動(dòng)器，可以實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步降低軟開(kāi)關(guān)期間的損耗。

多相降壓轉換器設計

下圖顯示了具有三個(gè)離散輸出電平的兩相降壓轉換器的示例電路圖。開(kāi)關(guān)級是電路中最復雜的部分。然而，輸出 LC 濾波器執行與標準（單相）降壓轉換器（低通差模濾波器）相同的功能。

2 相 3 電平降壓轉換器

只要使用正確的高頻 PWM 驅動(dòng)器，這種設計就可以在 ~100 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率下運行，并具有零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)。上面顯示的四階輸出濾波器提供所需帶寬內的包絡(luò )跟蹤。下面示出了時(shí)序圖如何電壓控制跨越高側飛跨電容器（實(shí)施V的Ca）在其輸出電平之間的范圍內V中/ 2和V我? 0.5 < d <1.0?？傒敵鲭娏魅园恍┘y波，但頻率是高端和低端 MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率的 4 倍。

建議的開(kāi)關(guān)轉換器中的降壓轉換器波形：0.5 < D < 1 對于 2 相、3 電平降壓轉換器。

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換器具有相同的功能：在 MOSFET 陣列開(kāi)關(guān)時(shí)定期充電和放電，從而通過(guò)輸出電感器提供功率。我想指出一個(gè)重要的結論，你可以從上面的圖表中得出一個(gè)之前可能并不明顯的結論：

多相轉換器的行為類(lèi)似于以 N 倍頻率或 N 倍輸出電感驅動(dòng)的單相轉換器。

這是開(kāi)關(guān)轉換器的核心優(yōu)勢。用包絡(luò )跟蹤和一些低結合- [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，更輕的冷卻需求?，F在，我們需要為每個(gè)相位選擇一些 GaN FET 和輸出電感器。

電感選擇

要實(shí)現這種類(lèi)型的系統，下一個(gè)任務(wù)是選擇設計中使用的 FETS 和電感器（在高端和低端標記為 L1）。當晶體管中的漏源電壓值由驅動(dòng)器切換時(shí)，這些電感器對于驅動(dòng) ZVS 很重要。在這種類(lèi)型的應用中，氮化鎵FET和MMIC的是最優(yōu)選的用作電源系統的開(kāi)關(guān)元件為它們的低- [R ON值和高的熱導率，其轉儲熱量進(jìn)入PCB基板或到附近的散熱片。

雖然可能不明顯，但該系統中的電感器需要適當調整大小以達到 ZVS。通過(guò)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(kāi)關(guān)條件。通常，要實(shí)現 ZVS，您需要使用復雜的控制電路，其中輸出電流將在 ZVS 周期之間動(dòng)態(tài)限制。

接下來(lái)，我們來(lái)看看電感 L1，它的設計應能適應所需的占空比范圍。對于 N 相三電平轉換器，在具有負載電阻R L、占空比 D 和等效開(kāi)關(guān)頻率f s的高端開(kāi)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動(dòng)頻率，就像我們從上圖中所期望的那樣。

N 相降壓轉換器等效開(kāi)關(guān)頻率。

這些轉換器的占空比范圍可低至 0.1 至 0.9；L1 應確定為 D 的最大值或最小值。該轉換器將連接到功率放大器輸入端，當放大器接收到其驅動(dòng)信號時(shí)，該輸入端將降至低阻抗。

場(chǎng)效應管選擇

對于高頻設計，例如此處針對 4G LTE 和更高工作頻率的示例，電源系統需要超越 Si 功率 MOSFET。GaN FET 是此時(shí)的理想器件，因為它們在較高頻率下具有較低的導通狀態(tài)損耗，而在這種情況下，Si 將無(wú)法使用。最接近的對應物是 GaAs 和 SiGe，但這些材料平臺在需要高效功率轉換的毫米波頻率下仍然表現不佳。

對于這種類(lèi)型的 RF 電源，您需要 Si MOSFET 以外的東西有幾個(gè)原因：

較低的柵極電容

反型層與體層的高遷移率

更高的設備溫度限制

更高的擊穿場(chǎng)

更高的導熱性

較低的電容

駕駛時(shí)更深的飽和度

查看一些Octopart 搜索結果以查看一些示例組件。選擇 FET 后，您可以查看具有任意驅動(dòng)信號的仿真，以確定該穩壓器設計的電源轉換效率。只要您的開(kāi)關(guān) FET 的真實(shí)模型可用，您就可以通過(guò)SPICE 仿真來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。在這里，您需要將傳輸到負載的時(shí)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(jìn)行比較。

這里的另一個(gè)主要電路挑戰是串聯(lián)連接 FET 陣列。我過(guò)去討論過(guò)并聯(lián) MOSFET 陣列，如果在陣列輸出中沒(méi)有連接一點(diǎn)電阻，它們就會(huì )振蕩。串聯(lián) FET 在電源系統中實(shí)際上更難處理，尤其是當開(kāi)關(guān)部分有高輸入電壓時(shí)。在串聯(lián)布置中，目標是確保電壓在整個(gè)設計中均勻分布，這是非常困難的，因為結電阻是非線(xiàn)性的，具體取決于柵極電壓。一般來(lái)說(shuō)，串聯(lián)陣列中的第一個(gè) FET 耗散的電壓最大，因此它會(huì )首先失效。這是一個(gè)有趣的問(wèn)題，但 CMOS 緩沖器的結構表明它是集成電路設計中的一個(gè)基本問(wèn)題。

多相降壓轉換器的布局技巧

布局中需要考慮的要點(diǎn)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(guò)緊密布線(xiàn)來(lái)布置電路板以確保低電感是防止設計中從下游接收到過(guò)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(xiàn)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(huì )將所有東西沿線(xiàn)性布置放置，以確保從設計中提取的 RF 功率不會(huì )耦合回設計的輸入側。

散熱：射頻電源中所需的高級 FET 會(huì )散發(fā)大量熱量，而這些熱量需要散布到某個(gè)地方。附近的平面是一個(gè)不錯的選擇，因為熱量可以從 FET 傳導出去。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。