HF-Stromversorgungsdesign und Layout-Leitfaden

Eines ist sicher: Das Design von Stromversorgungen ist deutlich komplexer als einfach ein paar Leiterbahnen zu Ihren Bauteilen zu verlegen. HF-Stromversorgungsdesigns erfordern besondere Sorgfalt, um sicherzustellen, dass sie funktionieren, ohne übermäßiges Rauschen zwischen Schaltungsteilen zu übertragen, was durch die hohen Energiepegel noch erschwert wird. Neben einem gründlichen Layout müssen die Schaltkreise so konzipiert werden, dass das System eine hocheffiziente Energieumwandlung und -versorgung für jeden Schaltungsteil gewährleistet.

Anlagen mit sehr hoher Leistung werden immer noch mit diskreten Komponenten aufgebaut, die in einem großen Gehäuse oder Schrank untergebracht werden müssen. Dank neuerer Bauteile und Strategien zur Leistungsregelung können kleinere Systeme aber auch auf einer Leiterplatte realisiert werden. Die Herausforderungen bei diesen Systemen lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

• Wärmeentwicklung in FETs und Verstärkern, was die Verwendung von modernen Halbleitern wie GaN auf SiC zur HF-Verstärkung nahelegt.
• Parasitäre Elemente, wodurch hohe Leistungen in nahe gelegene Schaltungsteile entlang der Stromversorgungsleitung eingekoppelt werden könnten, was eine sorgfältige Platzierung und Verlegung erfordert.

Der erste Punkt betrifft die Bauteileauswahl für die Stromversorgung und ihre Platzierung in den Schaltplänen. Der zweite Punkt bezieht sich auf die Bedeutung von Layout und Routing. In diesem Artikel werden wir beide Bereiche ein wenig beleuchten.

Einstieg in die Entwicklung einer HF-Stromversorgung

Aus Sicht der Schaltungsentwicklung erfordern HF-Netzteile ähnliche Regel- und Filterstufen wie jedes andere Netzteil für Gleichstromsysteme. Die Hauptaufgabe einer HF-Stromversorgung besteht darin, ein HF-System bei der gewünschten Betriebsfrequenz mit Strom zu versorgen. Dazu gehören Standardkomponenten, die zur Erzeugung und Aufbereitung eines HF-Signals verwendet werden (Oszillatoren, aktive Filter, Verstärker usw.). Die Stromversorgung muss darüber hinaus in der Lage sein, mit Modulation umzugehen. Daneben sollte ein HF-Netzteil einige der Anforderungen erfüllen, die auch für eine typische HF-Leiterplatte gelten, nämlich geringe Verluste bei hohen Frequenzen sowie ausreichend hohe thermische Belastbarkeit und thermische Eigenschaften.

Das nachstehende Blockdiagramm zeigt in groben Zügen, wie man HF-Leistung bei hohen Frequenzen erzeugt.

HF-Stromversorgungen arbeiten auch invers, d. h. sie empfangen ein HF-Signal und wandeln es in eine Gleichspannung um. Dies erfordert den Aufbau einer HF-Gleichrichterschaltung, auf die wir in diesem Artikel nicht näher eingehen wollen, da sie recht kompliziert sein kann. Stattdessen werden wir uns auf den Aspekt als HF-Quelle konzentrieren.

Regulatoren und Filtrierung

HF-Stromversorgungen, die bei hohen Frequenzen, d. h. im MHz- oder GHz-Bereich, arbeiten, werden i. d. R. aus diskreten Bauteilen aufgebaut. Sie können jedoch alle oben genannten Elemente auf ein und demselben Board unterbringen. Der erste Schritt ist dabei die Auswahl des Reglers und die Auslegung des Filters. Im obigen Blockdiagramm müssen das Filter höherer Ordnung und der Schaltregler so konzipiert sein, dass sie der Hüllkurve eines modulierten Signals folgen (für AM-Ausgang) oder das Ausgangssignal mit der Trägerfrequenz modulieren können (für FM-Ausgang). Dies erfordert mitunter eine mehrphasige, mehrstufige Designanordnung. Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über den Regler- und Filterteil des Designs zu erfahren.

Bei der Auswahl nachgeschalteter Regler (z. B. Schaltregler oder LDOs) ist auf den Wirkungsgrad zu achten. Im Falle eines LDOs sollte die Spannungsdifferenz nicht zu hoch sein, da dadurch viel Leistung über den LDO abfällt und der hohe Wärmewiderstand des Bauteils dazu führen kann, dass es sich schnell über seine Nenntemperatur hinaus erhitzt. Bei einem kürzlich von meiner Firma gebauten Prototyp haben wir uns für LDOs mit Wärmeableitung über das Gehäuse entschieden. Wenn Sie die Spannung stark absenken müssen, sollten Sie einen Schaltregler verwenden und einen weiteren Filter höherer Ordnung einsetzen, um sicherzustellen, dass der VDD- und VGG-Anschluss sowie der Oszillator rauscharm sind.

Wie mit der Masse umgehen

Wie bei jedem anderen Mixed-Signal-Design sollten Sie nicht versuchen, den Ausgang Ihres Schaltreglers (falls Sie einen verwenden) galvanisch vom HF-Teil zu isolieren, indem Sie ihn über geteilte Massen führen. Sie erzeugen das gleiche EMI-Problem wie ein digitales Single-Ended-Signal, das durch eine Lücke in einer Massefläche geleitet wird. Dies ist ein häufiger Fehler in Mixed-Signal-Systemen, und es ist leicht, ihn in einem HF-System zu widerholen, wenn man annimmt, dass der Ausgang des Schaltreglers ein reiner Gleichstrom ist. Selbst mit Envelope Tracking beziehen Sie immer noch Ihre zeitlich gemittelte Leistung bei der Basisbandfrequenz, die in der Größenordnung von einigen Dutzend oder Hunderten von MHz liegen kann.

Achten Sie auf eine durchgängige Masse und platzieren Sie die Leiterbahnen so, dass die Impedanzkontrolle auf koplanaren Leitungen erhalten bleibt, anstatt es sich leicht zu machen und die Masseschicht aufzusplitten. Wenn Sie die HF-Komponenten in einem eigenen Bereich und die Gleichstrom-/Regelungskomponenten separat unterbringen können, lassen sich Interferenzen zwischen ihnen vermeiden, sofern Sie die Rückleitungen sauber führen können.

Stackup-Design und Materialauswahl

Beim Entwurf Ihres Stackups müssen Sie die Betriebsfrequenz Ihres Reglers und die Länge Ihrer HF-Leitungen auf der Leiterplatte berücksichtigen. Für längere HF-Leitungen ist ein verlustarmes Laminat zu verwenden, möglicherweise ein PTFE-Laminat. Bei HF-Stromversorgungen ohne lange Leitungen oder wenn die Verluste vernachlässigbar sind, kann man i. d. R. mit FR4-Laminaten als Basismaterial arbeiten. Ein Kompromiss zwischen geringen Verlusten und niedrigen Kosten besteht in der Verwendung eines hybriden Aufbaus mit einem verlustarmen Dielektrikum als HF-Leitungsträger.

Im obigen Beispiel lassen sich die Stromversorgungsleitungen über Masse verlegen, sofern Sie die HF-Leitungen ebenfalls auf einer Außenlage verlegen. Oder Sie könnten eine einheitliche Masse und eine Stromversorgungsebene verwenden, um die Stromversorgung vom Reglerteil zu den Bauteilen zu leiten, und die HF-Leitungen auf der Außenlage verlegen, um eine vierlagige Platine zu erhalten. Dies ist eine gute Methode, um einen hybriden Aufbau mit verlustarmem PTFE an der Oberflächenschicht zu verwenden. Die einzige Isolierung, die Sie auf dieser Platine verlässlich realisieren können, ergibt sich aus der Koplanarität Ihres Routings, d. h. aus den Durchkontaktierungen, die Sie um die HF-Leitungen und um die Bauteile herum anbringen, um Rauschkopplungen zwischen den Platinenabschnitten zu verhindern.

Sie können auch einen 6- oder 8-lagigen Stackup für diese Anwendung einsetzen, wenn Sie mit höheren Leistungen arbeiten müssen und gleichzeitig eine gute Abschirmung benötigen. Wo lässt sich beispielsweise L3 als Signallage für koplanare HF-Leitungen zwischen zwei GND-Ebenen (auf L2/L4) verwenden, die Stromversorgung auf L5 platzieren und eventuell andere benötigte Signale auf den Oberflächenlagen oder L6 verlegen (siehe unten). Dies ist besser für ein High-Power-Design, das eine starke Abschirmung erfordert, die von der Massefläche zwischen den Schichten bereitgestellt wird.

Durch die Isolierung zwischen verschiedenen Designabschnitten können Sie parasitäre Kopplungen verhindern, die eine Rauschübertragung in den Ausgang ermöglichen. Das Ausgangssignal des Netzteils sollte ausreichend rausch- und verzerrungsarm sein, um andere Komponenten mit dem erforderlichen Strom zu versorgen. Bei diesem Designtyp gibt es zwei Hauptrauschquellen:

• Rauschen des Schaltreglers bzw. ein verrauschter Gleichstromeingang 
• Rauschrückkopplung vom Ausgang zum Verstärkereingang

Beide Probleme lassen sich mit den hier erwähnten Tipps zum Stackup-Design und einer geschickten Platzierung der verrauschten Schaltungsteile weit weg vom HF-Ausgangsteil lösen. Der zweite Punkt ist bei höheren Frequenzen schwieriger, und es ist durchaus möglich, dass der HF-Ausgang in den Eingang der Verstärkerstufe mitgekoppelt wird. Entflechtung und Filterung sind ebenfalls sehr wichtig, da sie zu einer zusätzlichen Isolierung und Geräuschunterdrückung beitragen können.

Platzierung und Routing

Diese beiden Designaspekte sind von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, die in den beiden obigen Punkten erwähnten Rauschprobleme zu unterdrücken. Verlegen Sie die HF-Leiterbahnen vom Oszillator durch den Verstärker und zum Ausgang als geschirmte koplanare Wellenleiter (entweder auf der Außenlage oder auf internen Ebenen), um eine gewisse Abschirmung zu gewährleisten. Verwenden Sie kein Guard-Tracing zur Abschirmung, da diese zu einer stärkeren Rauschkopplung neigen. Arbeiten Sie nur mit Via-Fencing, das Sie für Ihre koplanaren Leitungen berechnet haben. Stellen Sie durch eine Analyse der Via-Stubs zudem sicher, dass Sie, wenn Sie auf einer internen Lage routen, feststellen, ob Sie Backdrilling benötigen.

Weitere Anpassungen, die am Ausgang erforderlich wären, hängen von der Funktion der Endstufe ab. Soll sie direkt an eine Antenne oder an eine SMA/u.FL-Koaxialleitung angeschlossen werden? Üblicherweise wird das HF-Ausgangssignal durch ein Filter (entweder ein BAW- oder SAW-Filter) geleitet. Bei der Auswahl der Komponenten ist jedoch Vorsicht geboten, da BAW- und SAW-Filter in Chips nicht immer für die hohen HF-Leistungen ausgelegt sind.

Eine weitere Komponente, die Sie möglicherweise im HF-Ausgangsnetz benötigen, ist ein Isolator/Zirkulator, um zu verhindern, dass Reflexionen zum Verstärker zurückfließen. Es gibt einige SMD-Isolatoren, die Sie am Ausgang einsetzen können, was besonders wichtig ist, wenn Sie Power-over-RF implementieren oder Ihren HF-Ausgang direkt an eine Antenne schicken wollen.

Wenn Sie Signale über ein externes HF-Modul leiten müssen, können Sie SMD-u.FL- oder SMA-Stecker für diese Verbindungen verwenden. Sie können das Signal bei Bedarf von der Platine durch das Modul und wieder zurück auf die Platine leiten, sollte Ihr Leistungspegel den zulässigen Wert für ein entsprechendes SMD-/THT-Bauteil auf der Leiterplatte überschreiten.

Zusammenfassung

Während HF-Leistungsverstärker und -Stromversorgungsdesigns i. d. R. aus diskreten Filterelementen aufgebaut sind, ermöglichen neuere Bauteile einen aggressiven Gestaltungsspielraum in Bezug auf den Formfaktor und die Integration vieler dieser Bauelemente auf einer einzigen Platine. Und natürlich sollten Sie sich mit Ihrem Hersteller über Ihren Stackup beraten, um sicherzustellen, dass es als Hybridplatine herstellbar ist. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie die Kupferrauigkeit und die dielektrische Dispersion in Ihrem Übertragungsleiterdesign berücksichtigen, damit Ihre HF-Leitungsimpedanz den üblichen Wert von 50 Ohm hat.

Um die besten PCB-Tools für das Design von RF-Stromversorgungen zu nutzen, sollten Sie auf die umfassenden PCB-Design-, Layout- und Simulationsfunktionen von Altium Designer® zurückgreifen. Nach Fertigstellung des Layouts Ihrer HF-Stromversorgung können Sie die EDB-Exporter-Erweiterung verwenden und Ihren Entwurf in den Field-Solver von Ansys zu importieren, um eine Reihe von SI/PI/EMI-Berechnungen durchzuführen. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, können Sie über die Altium-365™-Plattform problemlos zusammenarbeiten und Ihre Projekte gemeinsam bearbeiten.

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