Mehrphasiger Abwärtswandler für eine HF-Stromversorgung: Designtipps

Mir kommt es so vor, als hätten wir erst gestern über eine Zukunft mit 5G gesprochen, dabei werden in den USA, China und Südkorea bereits jetzt die ersten 5G-Netze zum Leben erweckt. 5G-Systeme verändern die Art und Weise, wie Designer an Basisstationen und Sendeanlagen sowie an Handys, Autos, Repeater und IoT-Produkte herangehen. Damit die Dienste für die Nutzer bereitgestellt werden können, ist eine weitere Ausweitung von 5G ohne größere Innovationen bei den Basisstationen und die Ausweitung der Sendeanlagen auf kleine, lokalisierte Zellen nicht möglich.

Bei der Ausrüstung von Basisstationen im Feld spielen HF-Stromversorgungen und -Verstärker eine zentrale Rolle bei der Signalübertragung. Die HF-Stromversorgungen müssen dabei so ausgelegt sein, dass sie die Signalübertragung in diesen Systemen so effizient wie möglich unterstützen. Leider ist die frühere Generation von Si-, SiC- und GaAs-Leistungs-MOSFETs im Allgemeinen nicht in der Lage, genügend Wärme von den aktiven Bauelementen abzuleiten, so dass die Elemente kühl bleiben. Eine Variante dieses Erhitzungsproblems haben wir im Sommer 2019 gesehen, als sich die 5G-Modems in neuen Smartphones aufgrund von Überhitzung abschalteten. Ein ähnliches Problem tritt bei den Basisstationen auf.

Normalerweise müssen Sie Kühlkörper oder Lüfter verwenden, um die Leistungsverstärkerstufen kühl zu halten, da sie während des Betriebs Wärme erzeugen, insbesondere wenn sie mit einer Gleichstromversorgung betrieben werden. HF-Sendersysteme benötigen viel Platz für Kühlkörper, ein voluminöses Gehäuse, Lüfter und andere Kühleinrichtungen. Der Weg zu einer kleineren HF-Stromversorgung mit höherem Wirkungsgrad führt über ein paar einfache, aber wichtige Schritte:

• Verwendung neuerer Halbleiterbauelemente wie GaN-FETs auf SiC
• Verwendung alternativer Reglertopologien für Stromversorgungen und Verstärker, wie z. B. mehrphasige Abwärtswandler mit Hüllkurvenverfolgung

In diesem Artikel befassen wir uns hauptsächlich mit dem zweiten Punkt, insbesondere mit einer Reglertopologie, die eine effiziente Leistungsumwandlung in HF-Stromversorgungen und -Verstärkern ermöglicht: ein mehrphasiger Abwärtswandler. Ich zeige Ihnen ein Beispiel, bei dem GaN-MOSFETs als Schaltelement in diesem Wandler verwendet werden, und ich erläutere, wie der mehrphasige Abwärtswandler in eine Stromversorgung für HF-Systeme integriert wird. Dieses Stromversorgungsdesign hat das Ziel, HF-Sender mit frequenzmodulierten Signalen stabil mit Strom zu versorgen.

Hüllkurvengesteuerte Stromversorgung

Eine bevorzugte Methode, um HF-Leistungsverstärker mit Gleichstrom zu versorgen, ist die Verwendung einer hüllkurvengesteuerten Stromversorgung. Ich werde nicht näher auf das Design dieser besonderen Art der Stromversorgung eingehen, und das für einen anderen Artikel aufheben. Der größte Vorteil der Hüllkurvenverfolgung ist die geringe Wärmeabgabe während des Betriebs. Eine hüllkurvengesteuerte Stromversorgung verfolgt die überlagerte Amplitudenhüllkurve des modulierten Signals, das durch den Verstärker geleitet wird. Auf diese Weise steigt oder fällt die dem Verstärker zugeführte Leistung in denselben Momenten wie das Eingangssignal, so dass weniger Leistung als Wärme abgeführt wird, wenn sich der interne FET seinem AUS-Zustand nähert.

Diese Systeme weisen in der Regel ein höheres Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung (PAPR) auf als vergleichbare Leistungssysteme ohne Hüllkurvenverfolgung. Es gibt zahlreiche Arten von Stromversorgungen mit Hüllkurvenverfolgung, die in linearen Verstärkern, Schaltwandlern und Wandlern mit linearer Schaltunterstützung eingesetzt werden. Bei der Reduzierung der Verlustleistung in Form von Wärme im Verstärker geht es darum, einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Die in einer HF-Stromversorgung implementierte Hüllkurvenverfolgung erfordert eine präzise Regelung mit geringem Rauschen. Im Gegensatz dazu ist bei digitalen Systemen das Schaltrauschen deutlich weniger wichtig als die Transienten auf dem Energiebus. Daher ist ein rauscharmes Design erforderlich, das eine große Bandbreite (20-MHz-Pegel) abdecken kann und gleichzeitig geringe Abschaltverluste aufweist.

Für diese Anwendung in hüllkurvengesteuerten HF-Stromversorgungen bevorzugen wir einen mehrphasigen Abwärtswandler. Dieser Abwärtswandler verwendet mehrere Treiberstufen, die eine erzwungene Phasenverzögerung haben, um eine Standard-LC-Anordnung anzusteuern, wie sie in einer Standard-Abwärtswandlerschaltung zu finden ist. Wir würden den mehrphasigen Abwärtswandler aus drei Gründen verwenden:

1. Durch ein niedriges Tastverhältnis und eine definierte Phasenlage weist der Strom in der Ausgangsinduktivität eine höhere Schaltfrequenz auf, was sich positiv auf eine geringe Rauschentwicklung auswirkt.
2. Aufgrund von # 1 können Sie beim Betrieb mit einer höheren kombinierten Schaltfrequenz eine kleinere Induktivität verwenden (falls gewünscht).
3. Obwohl die äquivalente Schaltfrequenz, die die Ausgangsinduktivität antreibt, hoch ist, können Sie die einzelnen Schaltstufen auch mit niedrigeren Frequenzen ansteuern.
4. Mit einer geeigneten Induktivität oder einem phasenverzögerten Treiber kann eine Nullspannungsschaltung realisiert werden, die die Verluste beim sanften Schalten weiter reduziert.

Mehrphasiger Abwärtswandler – Design

Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für einen zweiphasigen Abwärtswandler mit drei diskreten Ausgangspegeln. Die Schaltstufe ist der komplexeste Teil der Schaltung. Der Ausgangs-LC-Filter erfüllt jedoch die gleichen Funktionen wie in einem (einphasigen) Standard-Abwärtswandler (differentieller Tiefpassfilter).

Solange der richtige Hochfrequenz-PWM-Treiber verwendet wird, könnte dieses Design bei ~100 MHz Schaltfrequenzen mit Nullspannungsschaltung (ZVS) betrieben werden. Der oben gezeigte Ausgangsfilter 4. Ordnung ermöglicht die Hüllkurvenverfolgung innerhalb der erforderlichen Bandbreite. Das nachstehende Zeitdiagramm zeigt, wie die Spannungssteuerung über den High-Side-Flugkondensator (V_Ca) bei einem Ausgangspegel zwischen V_in/2 undV_in für 0.5 < D < 1.0 implementiert wird. Der Gesamtausgangsstrom enthält immer noch eine gewisse Restwelligkeit, allerdings mit der vierfachen Frequenz im Vergleich zur Schaltfrequenz der High-Side und Low-Side MOSFETs.

Die fliegenden Kondensatoren (C_a und C_b) spielen hier eine wichtige Rolle und haben die gleiche Funktion wie in einem typischen einphasigen Abwärtswandler: Sie laden und entladen sich periodisch, wenn die MOSFET-Anordnung schaltet, und liefern so Strom über die Ausgangsinduktivitäten. Ich möchte Sie auf eine wichtige Schlussfolgerung hinweisen, die Sie aus dem obigen Diagramm ziehen können und die vorher vielleicht nicht offensichtlich war:

Ein mehrphasiger Abwärtswandler verhält sich wie ein einphasiger Wandler, der mit der N-fachen Frequenz oder mit der N-fachen Ausgangsinduktivität betrieben wird.

Dies ist der Hauptvorteil eines Schaltwandlers. In Kombination mit der Hüllkurvenverfolgung und einigen GaN-FETs mit niedrigem R_ON-Wert wird die von einem Verstärker aus dieser Versorgung entnommene Leistung viel weniger Rauschen aufweisen, aber weniger Platz beanspruchen und eine geringere Kühlung erfordern. Nun müssen wir einige GaN-FETs und Ausgangsinduktivitäten für die einzelnen Phasen auswählen.

Auswahl der Induktivitäten

Um diese Art von System zu implementieren, besteht die nächste Aufgabe in der Auswahl der FETS und der Induktivitäten (mit L1 auf der High- und Low-Seite gekennzeichnet), die im Design verwendet werden. Diese Induktivitäten sind für die Ansteuerung von ZVS wichtig, wenn die Drain-Source-Spannungswerte in den Transistoren durch den Treiber umgeschaltet werden. Bei so einer Anwendung sind GaN-FETs und MMICs aufgrund ihrer niedrigen R_ON-Werte und ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit als Schaltelemente in Leistungssystemen am besten geeignet; die Wärme wird in das Leiterplattensubstrat oder in einen nahe gelegenen Kühlkörper abgeleitet.

Auch wenn es nicht offensichtlich ist, muss die Induktivität in diesem System richtig dimensioniert sein, um ZVS zu erreichen. Diese Schaltbedingung wird erreicht, indem L1 so gewählt wird, dass der Rippelstrom (Spitze-Spitze) mehr als doppelt so hoch ist wie der Durchschnittsstrom. Normalerweise müsste man zur Implementierung von ZVS einen komplexen Regelkreis verwenden, bei dem der Ausgangsstrom zwischen den ZVS-Zyklen dynamisch begrenzt wird.

Als Nächstes kommen wir zur Induktivität L1, die so ausgelegt sein sollte, dass sie den gewünschten Bereich abdeckt. Für einen N-phasigen dreistufigen Wandler beträgt der maximale Wert von L1, der erforderlich ist, um ZVS in den High-Side-Schaltern S1x und S2x mit dem Lastwiderstand R_L, dem Tastverhältnis D und der äquivalenten Schaltfrequenz f_s zu erreichen:

Der Term f in der obigen Gleichung (äquivalente Frequenz) ist unten dargestellt. Beachten Sie, dass sich für N = 2, die Antriebsfrequenz vervierfacht, wie aus den obigen Diagrammen zu erwarten ist.

Das Tastverhältnis in diesen Wandlern reicht von 0,1 bis 0,9; L1 sollte bei maximalem oder minimalem Wert von D bestimmt werden. Dieser Wandler wird an den Eingang des Leistungsverstärkers angeschlossen, der auf eine niedrige Impedanz abfällt, wenn der Verstärker sein Steuersignal erhält.

FET-Auswahl

Für Hochfrequenzdesigns, wie in diesem Beispiel für 4G LTE und höhere Betriebsfrequenzen, müssen Leistungssysteme über Si-Leistungs-MOSFETs hinausgehen. GaN-FETs sind derzeit ideal, da sie bei höheren Frequenzen, bei denen Si unbrauchbar wäre, geringere Durchlassverluste aufweisen. Danach kommen GaAs und SiGe, aber diese Materialplattformen schneiden bei mmWave-Frequenzen, bei denen eine hocheffiziente Leistungsumwandlung erforderlich ist, immer noch schlechter ab.

Es gibt einige Gründe, warum Sie für diese Art von HF-Stromversorgung etwas anderes als Si-MOSFETs benötigen:

• Geringere Gate-Kapazität
• Hohe Mobilität in der Inversionsebene im Vergleich zur Bulkebene
• Höhere Gerätetemperaturgrenzen
• Höheres Durchschlagfeld
• Höhere Wärmeleitfähigkeit
• Geringere Kapazität
• Stärkere Sättigung

In diesen Octopart-Suchergebnisse sehen Sie einige Beispielkomponenten. Sobald Sie Ihre FETs ausgewählt haben, können Sie eine Simulation mit einem beliebigen Ansteuersignal durchführen, um den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung dieses Reglerdesigns zu bestimmen. Sie können dies mit einer SPICE-Simulation tun, sofern ein reales Modell für Ihre Schalt-FETs verfügbar ist. In diesem Fall sollten Sie die zeitlich gemittelte Ausgangsleistung (unter Verwendung der Ausgangsspannung Vo), die an die Last abgegeben wird, mit der Spannung am fliegenden Kondensator für verschiedene Tastverhältnisse vergleichen.

Eine weitere große schaltungstechnische Herausforderung besteht darin, die FET-Arrays in Reihe zu schalten. Ich habe bereits über parallele MOSFET-Arrays geschrieben, die dafür bekannt sind, dass sie schwingen, wenn sie nicht mit einem gewissen Widerstand im Ausgang des Arrays verdrahtet sind. Die Reihenschaltung von FETs ist in Stromversorgungssystemen schwieriger zu handhaben, vor allem, wenn eine hohe Eingangsspannung in den Schaltbereich eintritt. Bei einer Reihenschaltung muss sichergestellt werden, dass die Spannung gleichmäßig über das gesamte Design verteilt wird. Das ist recht schwierig, da der Sperrschichtwiderstand nichtlinear ist und von der Gate-Spannung abhängt. Im Allgemeinen leitet der erste FET in der Reihenschaltung die meiste Spannung ab und fällt zuerst aus. Ich werde mich in einem der nächsten Artikel eingehender mit diesem interessanten Problem befassen, aber die Struktur von CMOS-Puffern zeigt, dass es sich um ein grundlegendes Problem beim Entwurf integrierter Schaltungen handelt.

Layout-Tipps für mehrphasige Abwärtswandler

Die wichtigsten Punkte, an die Sie bei Ihrem Layout denken müssen, sind Isolierung, Wärmeableitung von Ihren FET-Arrays sowie die gleichmäßige Verteilung des Spannungsabfalls auf die FETs in Ihrem Array, wie oben erwähnt. 

• Isolierung: Der erste Schritt zur Vermeidung von übermäßiger EMI und Rauschen (das von nachgelagerten Bereichen des Designs empfangen wird), ist das Layout der Leiterplatte mit einem engen Routing, um eine niedrige Induktivität zu gewährleisten. Eine nahegelegene Massefläche sorgt für ein induktionsarmes Routing und bietet eine gewisse Abschirmung.
• Platzierung: Angesichts der Reihenanordnung der FETs und der Notwendigkeit, PWM-Controller in der Nähe zu platzieren, würde ich alles in einer linearen Anordnung platzieren, damit die aus dem Design gezogene HF-Leistung nicht auf die Eingangsseite des Designs zurückkoppelt.
• Wärmeableitung: Fortschrittliche FETs, die Sie in einer HF-Stromversorgung benötigen, leiten eine Menge Wärme ab, und diese Wärme muss irgendwo hin. Eine nahe gelegene Ebene ist eine gute Option, da die Wärme dann von den FETs weggeleitet werden kann. Ein Wärmeleitmaterial zwischen der Platine und dem Gehäuse hilft ebenfalls, die in der Stromversorgung erzeugte Wärme abzuführen.

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