为射频电源设计多相降压转换器

2021-08-18

为射频电源设计多相降压转换器

似乎就在昨天，我们还在谈论未来的 5G 部署，现在最初的 5G 网络已经在美国、中国和韩国投入使用。5G 系统正在改变设计人员处理基站和发射器设备以及手机、汽车、中继器和物联网产品的方式。5G 部署的进一步扩展离不开基站的更大创新和发射器设备向小型本地化小区的扩展，以便向用户提供服务。

在现场的基站设备中，射频电源和放大器在信号传输中起着核心作用，射频电源的设计必须能够高效支持这些系统中的信令。不幸的是，早期的 Si、SiC 和 GaAs 功率 MOSFET 产品通常无法从有源器件中散发足够的热量，从而使器件保持凉爽。我们在 2019 年夏天看到了这种加热问题的变化，当时新智能手机中的 5G 调制解调器因过热而关闭。类似的问题也发生在基站中。

通常，您需要使用散热器或风扇等组件来保持功率放大器级在运行期间产生热量时保持冷却，特别是当它们由直流电源供电时。射频发射器系统需要为散热器、笨重的外壳、风扇和其他冷却设备留出大量空间。以更高的效率获得更小的 RF 电源占用空间需要几个简单但重要的步骤：

在 SiC 上使用更新的半导体器件，如 GaN FET

为电源和放大器使用替代稳压器拓扑，例如具有包络跟踪功能的多相降压转换器

在本文中，我们将主要关注第二点，特别是一种可以在射频电源和放大器中实现更高功率转换效率的稳压器拓扑：多相降压转换器。在我们介绍此设计时，我将展示一个示例，该示例使用 GaN MOSFET 作为该转换器中的开关元件，以及如何将这种类型的转换器集成到 RF 系统的电源中。这种类型的电源设计旨在为具有调频信号的射频发射器提供稳定的电源。

包络跟踪电源

向射频功率放大器提供直流电源的一种优选方式是使用包络跟踪电源。我不会详细介绍如何设计这种特殊类型的电源，我将把它留到另一篇文章中。使用包络跟踪的主要优点是操作期间散热较少。包络跟踪电源跟踪通过放大器提取的调制信号的叠加幅度包络。通过这种方式，提供给放大器的功率在与输入信号相同的瞬间增加或下降，因此当内部 FET 接近其关闭状态时，会以热量的形式耗散更少的功率。

射频电源中使用的包络跟踪原理。

与不使用包络跟踪的类似电力系统相比，这些系统往往具有更高的峰均功率比 (PAPR)。许多类型的包络跟踪电源已用于线性放大器、开关转换器和具有线性辅助开关的转换器。减少放大器中作为热量损失的功率的目标是确保高效率。在射频电源中实现的包络跟踪需要低噪声的精确调节。与数字系统形成对比，在数字系统中，开关噪声远不如电源总线上的瞬态重要。因此，采用低噪声设计可以跟踪大带宽（20 MHz 水平），同时还具有低关断开关损耗。

对于包络跟踪射频电源中的这种应用，我们更喜欢多相降压转换器。这种类型的降压转换器使用具有强制相位延迟的多个驱动级来驱动标准降压转换器电路中的标准 LC 布置。出于以下三个原因，我们希望使用这种类型的降压转换器：

通过以低占空比运行并设置定义的相位关系，输出电感器中的电流将看到更高的开关频率，这有利于低噪声。

由于#1，如果需要，以更高的组合开关频率驱动允许您使用物理上更小的电感器。

尽管驱动输出电感的等效开关频率会很高，但您仍然可以在较低频率下驱动各个开关级。

使用合适的电感器或相位延迟驱动器，可以实现零电压开关，进一步降低软开关期间的损耗。

多相降压转换器设计

下图显示了具有三个离散输出电平的两相降压转换器的示例电路图。开关级是电路中最复杂的部分。然而，输出 LC 滤波器执行与标准（单相）降压转换器（低通差模滤波器）相同的功能。

2 相 3 电平降压转换器

只要使用正确的高频 PWM 驱动器，这种设计就可以在 ~100 MHz 的开关频率下运行，并具有零电压开关 (ZVS)。上面显示的四阶输出滤波器提供所需带宽内的包络跟踪。下面示出了时序图如何电压控制跨越高侧飞跨电容器（实施V的Ca）在其输出电平之间的范围内V中/ 2和V我Ñ 0.5 < d <1.0。总输出电流仍包含一些纹波，但频率是高端和低端 MOSFET 开关频率的 4 倍。

建议的开关转换器中的降压转换器波形：0.5 < D < 1 对于 2 相、3 电平降压转换器。

飞跨电容器（C a和C b）在这里发挥重要作用，与典型的单相降压转换器具有相同的功能：在 MOSFET 阵列开关时定期充电和放电，从而通过输出电感器提供功率。我想指出一个重要的结论，你可以从上面的图表中得出一个之前可能并不明显的结论：

多相转换器的行为类似于以 N 倍频率或 N 倍输出电感驱动的单相转换器。

这是开关转换器的核心优势。用包络跟踪和一些低结合- [R ON的GaN FET的，从该供给由放大器汲取的电力将具有更少的噪声，但具有较小的覆盖区，更轻的冷却需求。现在，我们需要为每个相位选择一些 GaN FET 和输出电感器。

电感选择

要实现这种类型的系统，下一个任务是选择设计中使用的 FETS 和电感器（在高端和低端标记为 L1）。当晶体管中的漏源电压值由驱动器切换时，这些电感器对于驱动 ZVS 很重要。在这种类型的应用中，氮化镓FET和MMIC的是最优选的用作电源系统的开关元件为它们的低- [R ON值和高的热导率，其转储热量进入PCB基板或到附近的散热片。

虽然可能不明显，但该系统中的电感器需要适当调整大小以达到 ZVS。通过选择合适的 L1 值，使峰间纹波电流大于平均电流值的两倍，即可达到这种开关条件。通常，要实现 ZVS，您需要使用复杂的控制电路，其中输出电流将在 ZVS 周期之间动态限制。

接下来，我们来看看电感 L1，它的设计应能适应所需的占空比范围。对于 N 相三电平转换器，在具有负载电阻R L、占空比 D 和等效开关频率f s的高端开关 S1x 和 S2x 中达到 ZVS 所需的最大值 L1为：

3 电平 N 相降压转换器电感器。

最后，上式中的f项（等效频率）如下所示。请注意，对于N = 2，我们得到了四倍的驱动频率，就像我们从上图中所期望的那样。

N 相降压转换器等效开关频率。

这些转换器的占空比范围可低至 0.1 至 0.9；L1 应确定为 D 的最大值或最小值。该转换器将连接到功率放大器输入端，当放大器接收到其驱动信号时，该输入端将降至低阻抗。

场效应管选择

对于高频设计，例如此处针对 4G LTE 和更高工作频率的示例，电源系统需要超越 Si 功率 MOSFET。GaN FET 是此时的理想器件，因为它们在较高频率下具有较低的导通状态损耗，而在这种情况下，Si 将无法使用。最接近的对应物是 GaAs 和 SiGe，但这些材料平台在需要高效功率转换的毫米波频率下仍然表现不佳。

对于这种类型的 RF 电源，您需要 Si MOSFET 以外的东西有几个原因：

较低的栅极电容

反型层与体层的高迁移率

更高的设备温度限制

更高的击穿场

更高的导热性

较低的电容

驾驶时更深的饱和度

查看一些Octopart 搜索结果以查看一些示例组件。选择 FET 后，您可以查看具有任意驱动信号的仿真，以确定该稳压器设计的电源转换效率。只要您的开关 FET 的真实模型可用，您就可以通过SPICE 仿真来实现这一点。在这里，您需要将传输到负载的时间平均输出功率（使用输出电压 Vo）与不同占空比的快速电容器两端的电压进行比较。

这里的另一个主要电路挑战是串联连接 FET 阵列。我过去讨论过并联 MOSFET 阵列，如果在阵列输出中没有连接一点电阻，它们就会振荡。串联 FET 在电源系统中实际上更难处理，尤其是当开关部分有高输入电压时。在串联布置中，目标是确保电压在整个设计中均匀分布，这是非常困难的，因为结电阻是非线性的，具体取决于栅极电压。一般来说，串联阵列中的第一个 FET 耗散的电压最大，因此它会首先失效。这是一个有趣的问题，但 CMOS 缓冲器的结构表明它是集成电路设计中的一个基本问题。

多相降压转换器的布局技巧

布局中需要考虑的要点是隔离、FET 阵列的散热以及如上所述在阵列中的 FET 上均匀分布压降。 

隔离：通过紧密布线来布置电路板以确保低电感是防止设计中从下游接收到过多 EMI 和噪声的第一步。附近的接地层有助于确保低电感布线并提供一些屏蔽。

放置：考虑到 FET 的串联布置和放置附近 PWM 控制器的需要，我会将所有东西沿线性布置放置，以确保从设计中提取的 RF 功率不会耦合回设计的输入侧。

散热：射频电源中所需的高级 FET 会散发大量热量，而这些热量需要散布到某个地方。附近的平面是一个不错的选择，因为热量可以从 FET 传导出去。电路板和外壳之间的热界面材料也将有助于消除电源中产生的任何热量。