射频电源设计和布局指南

2021-09-01

射频电源设计和布局指南

电源设计可能比简单地将直流电源线连接到您的组件要复杂得多。RF 电源设计需要特别小心，以确保它们能够正常工作，而不会在系统各部分之间传输过多的噪声，由于所涉及的高功率水平，这变得更加困难。除了仔细布局之外，还需要设计电路，以便系统为系统的每个子部分提供高效的电源转换和传输。

超高功率系统仍采用分立组件设计，这些组件可能连接在大型外壳或机柜中，但较小的电源系统可以放置在带有一些较新组件和电源调节策略的 PCB 上。这些系统中的挑战分为两个主要领域：

FET 和放大器中的热量产生，这促使使用先进的半导体（如GaN on SiC）进行射频放大

寄生效应可能会导致高功率沿供电线泄漏到附近的电路中，这需要仔细放置和布线

当为电源电路选择组件并将其放入原理图时，第一点发生在前端。上面的第二点是布局和布线变得更加重要的地方。我们将在本文中对这两个领域进行一些介绍，以便新的 RF 设计人员可以在布线之前完成堆叠和布局。

开始您的射频电源设计

从电路设计的角度来看，RF 电源需要一些与用于 DC 系统的任何其他电源相同的调节和过滤级。RF 电源的主要作用是以感兴趣的频率向 RF 系统供电，其中包括用于生成和调节 RF 信号的标准组件（振荡器、有源滤波器、放大器等）。电源还需要能够响应调制。除了适应调制之外，RF 电源设计还应具有与典型 RF 电路板相同的一些要求，即高频下的低损耗，以及足够高的额定温度和热性能。

下面的框图从高层次上展示了如何在高频下产生 RF 功率。

带有射频放大器的射频电源拓扑。

RF 电源也反向工作，它们接收 RF 信号并将其整流为直流电压。这需要构建一个 RF 整流器电路，我们不会在本文中详细介绍它，因为它可能会涉及很多。相反，我们将专注于 RF 采购方面。

调节器和过滤

需要以高频率（即高 MHz 或 GHz）供电的 RF 电源通常由分立元件构成。但是，您可以将上述所有部分放在同一块板上。第一步是调节器选择和滤波器设计。在上面的框图中，需要构建高阶滤波器和开关稳压器以遵循任何调制信号的包络（对于 AM 输出），或在基带频率（对于 FM 输出）调制其输出。这可能需要您的设计采用多相、多级拓扑

在选择任何下游稳压器（可能是开关或 LDO）时，请注意效率。如果您使用的是 LDO，电压差不应太高，因为这会降低 LDO 上的大量功率，并且组件的高热阻会导致其迅速升温至高于其额定温度。在我公司最近制造的一个原型中，我们选择了通过外壳进行传导冷却的 LDO。如果需要大幅降低电压，则应使用开关稳压器并应用另一个更高阶的滤波器，以确保为 VDD 端口、VGG 端口和振荡器提供低噪声。

如何处理地面

就像任何其他混合信号设计一样，不要尝试通过在分离接地上布线来将您的开关稳压器输出（如果您正在使用）与 RF 部分进行电流隔离。您将产生与单端数字信号通过接地层的间隙时所看到的相同类型的 EMI 问题。这是混合信号系统中的常见错误，假设开关稳压器的输出是纯直流，很容易在 RF 系统中犯同样的错误。即使使用包络跟踪，您仍然会在基带频率上获取时间平均功率，该频率可能约为数十或数百 MHz。

稳压器输出和放大器/振荡器部分之间接地不良的示例。在此接地平面间隙上以高频布线会产生辐射 EMI。

保持均匀接地并练习良好放置，同时保持共面线上的阻抗控制，而不是尝试采用简单的路线并拆分接地层。如果可以把射频元件放在自己的部分，把直流/稳压元件放在自己的部分，只要能正确跟踪返回路径，就可以防止它们之间的干扰。

叠层设计和材料选择

在设计叠层时，您需要考虑稳压器的工作频率以及电路板上 RF 线的长度。对于较长的射频线路，您需要使用低损耗层压板，可能是PTFE 层压板。不走长线的射频电源，或者如果您只是不担心损耗，您通常可以使用 FR4 层压板作为叠层材料。兼顾低损耗和低成本的一种方法是使用带有支持射频线路的低损耗电介质的混合叠层。

上面带有接地电源轨布线的示例可以在 4 层板上完成，只要您还在表面层布线 RF 线即可。您还可以使用统一接地和电源平面从稳压器部分向组件提供电源，并在表层上布线 RF 线以保持 4 层板。这是在表面层使用具有低损耗 PTFE 的混合叠层的好方法。但是，您可以在该电路板中可靠实现的唯一隔离来自布线中的共面性，即来自您在 RF 线路和组件周围放置的过孔栅栏，以防止电路板部分之间的噪声耦合。

这些 4 层堆叠可用于低或中等功率级别。目标是在功率级别增加时提供隔离，并适应更高功率级别可能需要的高电压/电流。

当您需要使用更高功率同时提供高隔离时，您也可以使用 6 层或 8 层堆叠进行此类设计。例如，您可以将 L3 设为两个 GND 平面（在 L2/L4 上）之间的共面 RF 线的信号层，然后在 L5 上放置电源，并可能在表面层或 L6 上路由您可能需要的任何其他信号。 这对于需要大量隔离的高功率设计更好，因为接地平面将在层之间提供屏蔽。

这种 8 层堆叠为内层的 RF 信号提供了电源平面和高隔离度。通过去除两个底层，这也可以用作 6 层板。

通过在设计的不同部分之间提供隔离，您可以帮助防止允许噪声传播到输出中的寄生耦合类型。电源的输出应具有足够低的噪声和失真，以便为其他组件提供干净的电源。在这种类型的设计中有两个主要的噪声源：

来自开关稳压器或嘈杂直流输入的噪音。 

噪声从输出耦合回放大器输入

这两点都可以通过这里提到的叠层设计技巧以及远离 RF 输出部分的噪声部分的智能放置来解决。第二点在更高频率下更具挑战性，通过耦合回放大器级的输入，可以看到 RF 输出经历正反馈。路由和过滤也非常重要，因为它们可以帮助提供额外的隔离和噪声消除。

布局和布线

设计的这两个方面至关重要，因为您需要抑制我在以上两点中提到的噪声问题。将 RF 走线从振荡器、放大器和接地共面波导（在表面或内部层）连接到输出，以确保有一定的隔离。不要使用保护走线来提供任何屏蔽，因为它们会产生更多的噪声耦合；仅使用您为共面线计算的过孔围栏样式。此外，如果您在内部层上进行布线，请确保通过分析您的 via stubs来确定您是否需要回钻。

输出可能需要的任何其他调节取决于电源的功能。它会直接路由到天线，还是路由到 SMA/u.FL 同轴线？通常将 RF 输出通过滤波器（BAW 或 SAW 滤波器），但在选择组件时要小心，因为芯片封装的 BAW 和 SAW 滤波器不能总是接受某些 RF 电源中使用的高 RF 功率。

您可能需要在 RF 输出网络上使用的另一个组件包括隔离器/环行器，以防止任何反射返回放大器。您可以在输出端使用一些 SMD 隔离器，如果您通过 RF 实现功率或将 RF 输出直接发送到天线，这一点尤其重要。

像这样的 SMD RF 隔离器与回流焊接工艺兼容，并且可以处理高功率（高达 20 W 或更高）。

如果您确实需要通过外部 RF 模块路由任何信号，您可以放置 SMD u.FL 或 SMA 连接器来进行这些连接。如果您的功率水平超过电路板上等效 SMD/通孔组件的允许值，您可以根据需要将信号从电路板上取下，通过模块，然后返回到电路板上。

总之

虽然 RF 功率放大器和电源设计通常是由分立的滤波器元件构建的，但较新的组件允许您非常积极地利用您的外形，并将许多这些元件整合到一块板上。当然，请确保就您的叠层咨询您的制造商，以确保它可以作为混合板制造。还要确保您在传输线设计中考虑了铜粗糙度和电介质色散，以确保您的 RF 传输线阻抗具有典型的 50 欧姆值。