Diseño de un Convertidor-Reductor Multifase (Buck) para una fuente de alimentación RF

Parece como si fuera ayer que estuvimos conversando acerca de futuras implantaciones de redes 5G, y ahora las primeras redes 5G están tomando vida en los EEUU, China y Corea del Sur. Los sistemas 5G están cambiando la forma en que los diseñadores abordan los equipamientos de estaciones base y de transmisión como así también móviles, automóviles, repetidores y la internet de las cosas (IoT). Una mayor expansión en desarrollos 5G no puede ocurrir sin una mayor innovación en estaciones base y en expansión de equipos de transmisión a celdas pequeñas y localizadas, para que se puedan brindar servicios a los usuarios.

Entre los conjuntos de equipamiento de estaciones base que encontrarás en este campo, las fuentes de alimentación y amplificadores de RF (radiofrecuencia) juegan un rol central en la transmisión de señales, por lo que las fuentes de alimentación RF deben ser diseñadas para soportar la señalización en estos sistemas con alta eficiencia. Desafortunadamente, la generación anterior de productos basados en MOSFETs de potencia de Si (Silicio), SiC (Carburo de Silicio) y GaAs (arseniuro de Galio) fue, en general, incapaz de disipar el calor originado en los dispositivos activos para que se mantengan refrigerados. Durante el verano de 2019, observamos una variación de este problema del recalentamiento cuando los módems 5G de los nuevos móviles inteligentes se apagaban debido al sobrecalentamiento. Un problema similar ocurría en las estaciones base.

Normalmente, se necesitan utilizar componentes como disipadores de calor o ventiladores para mantener refrigeradas las etapas de amplificación de potencia, dado que generan calor durante las operaciones, particularmente cuando están alimentadas por una fuente de corriente continua (DC). Los sistemas de transmisión RF requieren de un gran espacio para albergar disipadores de calor, una carcasa voluminosa, ventiladores, y otros equipos de refrigeración. Lograr diseñar una huella más pequeña para una fuente de alimentación RF, y con una mayor eficiencia, requiere seguir unos pocos pasos sencillos, pero importantes:

• Utilizar nuevos dispositivos semiconductores como FETs de GaN sobre SiC
• Utilizar topologias alternativas de reguladores para fuentes de alimentación y amplificadores tales como los convertidores – reductores (buck) multifase con seguimiento de envolvente

En ese artículo analizaremos el segundo punto; particularmente, una topología de regulador que permite eficiencia de conversión de alta potencia en fuentes de alimentación RF y amplificadores: el convertidor – reductor (buck) multifase. Mientras recorremos el diseño, le mostraré un ejemplo que utiliza un MOSFET de GaN, como elemento de conmutación en este convertidor y cómo este tipo de convertidor es integrado en una fuente de alimentación para sistemas RF. Este tipo de diseño de fuente de alimentación está destinado a entregar potencias estables a emisores de RF con señales de frecuencia modulada.

Fuentes de alimentación con seguimiento de envolvente

La forma preferida de entregar potencia DC a amplificadores de potencia RF es utilizando una fuente de alimentación de seguimiento de envolvente. No entraré en los detalles de cómo diseñar este tipo particular de fuente de alimentación, y dejaré esto para otro artículo. La mayor ventaja de utilizar el seguimiento de envolvente es una menor disipación de calor durante la operación. Una fuente de alimentación con seguimiento de envolvente rastrea la envolvente de amplitud superpuesta a la señal modulada que es extraída a través del amplificador. De este modo, la potencia suministrada al amplificador aumenta o disminuye en los mismos instantes que la señal de entrada, por lo que menos energía es disipada como calor cuando el FET interno ese aproxima a su estado OFF.

Estos sistemas tienden a tener mayor relación de potencia pico-promedio (PAPR) que otros sistemas de potencia comparables que no usan seguimiento de envolvente. Numerosos tipos de fuente de alimentación con seguimiento de envolvente han sido utilizados en amplificadores, convertidores de conmutación y convertidores con conmutación líneal asistida. El objetivo de reducir la potencia perdida como calor en el amplificador es garantizar una alta eficiencia. El seguimiento de envolvente empleado en una fuente de alimentación RF requiere una regulación precisa con bajo ruido. Contrastemos esto con los sistemas digitales, donde el ruido de conmutación es mucho menos importante que los transitorios en el bus de alimentación. Por lo tanto, se busca alcanzar un diseño de bajo ruido que pueda rastrear un gran ancho de banda (niveles de 20 MHZ) y que también tenga bajas perdidas de conmutación en la desconexión.

Para esta aplicación en fuentes de alimentación con seguimiento de envolvente preferiríamos utilizar un convertidor reductor (buck) multifase. Este tipo de convertidor buck opera con varias etapas de control que tienen un retardo de fase forzado para activar un arreglo estándar LC (inductor-capacitor) que encontrará en un circuito para un convertidor reductor estándar. Desearíamos utilizar este tipo de convertidor reductor por cuatro razones:

1. Operando a un ciclo de trabajo bajo y estableciendo una relación de fase definida, la corriente en el inductor de salida experimentará una mayor frecuencia de conmutación, lo que resulta beneficioso para lograr un bajo nivel de ruido.
2. Debido a #1, operando a una mayor frecuencia de conmutación combinada le permite, si lo desea, utilizar un inductor físicamente más pequeño.
3. Aunque la frecuencia de conmutación equivalente que acciona al inductor de salida será alta, puede todavía operar con etapas de conmutación individuales a frecuencias más bajas.
4. Con un inductor apropiado o un activador de atraso de fase, se podrá implementar la conmutación a voltaje cero, lo que redundará en reducir pérdidas durante conmutaciones suaves.

Diseño del Convertidor Reductor (Buck) Multifase

La imagen de abajo exhibe un ejemplo de diagrama de circuito para un convertidor de dos fases con tres niveles de salida discretos. La etapa de conmutación es la porción más compleja del circuito. Sin embargo, el filtro LC de salida realiza las mismas funciones que en un convertidor reductor estándar monofásico (en modo de filtro diferencial de paso bajo)

Este diseño podría posiblemente ser operado a frecuencias de conmutación de ~100 MHz con conmutación a voltaje cero (ZVS) en tanto se utilice el correcto controlador de modulación por ancho de pulsos (PWM) de alta frecuencia. El filtro de salida de cuarto orden que se exhibe arriba provee seguimiento de la envolvente dentro del ancho de banda requerido. El diagrama de tiempo abajo muestra cómo el control de voltaje es implementado a través del lado de alta del capacitor flotante (V_Ca) a un nivel de salida entre V_in/2 yV_in del voltaje de entrada para un ciclo de trabajo D (0.5 < D < 1.0). La corriente total de salida todavía contiene algo de ondulación, pero a una frecuencia cuatro veces mayor (4x) que la frecuencia de conmutación de los MOSFETs en los lados de alta y de baja.

Los capacitores flotantes C_a y C_b juegan aquí importantes roles y tienen la misma función que tendrían en un convertidor buck monofásico: convencional, cargarse y descargarse periódicamente cuando el arreglo de MOSFETs conmuta, entregando así la potencia a través de los inductores de salida. Quisiera señalar una conclusión importante que se puede sacar del grafico de arriba que podría no haber sido evidente antes:

Un convertidor multifase se comporta como un convertidor monofásico operando a N-veces la frecuencia, o con N-veces la inductancia de salida.

Esta es la gran ventaja que le ofrece un convertidor de conmutación. Combinado con seguimiento de envolvente y algunos FETs de GaN de baja resistencia ON (R_ON), la potencia extraída de esta fuente por un amplificador tendrá menos ruido con menor huella y menores demandas de refrigeración. Ahora, necesitamos elegir algún FET de GaN e inductores de salida para cada fase.

Selección del inductor

Para implementar este tipo de sistema la próxima tarea es seleccionar los FETS y los inductores (marcados como L1 en los lados de alta y de baja) utilizados en el diseño. Estos inductores son importantes para regir la ZVS (conmutación a voltaje cero) cuando los valores de voltaje drenador-fuente en los transistores son conmutados por el controlador. En este tipo de aplicaciones los FETs de GaN y los MMICS (circuitos monolíticos integrados de microondas resultan la opción más conveniente para utilizar como elementos de conmutación en los sistemas de potencia por sus bajos valores de resistencias RON y su alta conductividad térmica, lo cual produce la liberación del calor en el sustrato del PCB o sobre un disipador de calor próximo.

Aunque podría no parecer obvio, el inductor de este sistema debería estar apropiadamente dimensionado para alcanzar la ZVS. Esta condición de conmutación es alcanzada seleccionando el valor apropiado de L1 de manera tal que la corriente de ondulación pico a pico sea más que el doble del valor de la corriente promedio. Normalmente, para implementar ZVS necesitarás utilizar un complejo control del circuito, donde la corriente de salida se limite dinámicamente entre los ciclos ZVS.

A continuación, llegamos al inductor L1, que debería ser seleccionado para acomodar el rango deseado del ciclo de trabajo. Para un convertidor N-Fase de 3 niveles, el máximo valor de L1 requerido para alcanzar el ZVS en el lado de alta de los conmutadores S1x y S2x con una resistencia de carga R_L, ciclo de trabajo D y frecuencia de conmutación equivalente f_s resulta:

Finalmente, el término f en la ecuación de arriba (frecuencia equivalente) se muestra debajo. Observar que para N=2, conseguimos cuadruplicar la frecuencia impulsora, como hubiéramos esperado de los gráficos de arriba.

Los ciclos de trabajo de estos convertidores pueden estar dentro de un rango bajo de entre 0,1 a 0,9. L1 debería ser determinada al máximo o mínimo valor de D. Este convertidor será conectado a la entrada del amplificador de potencia, que caerá a baja impedancia cuando el amplificador reciba su señal de accionamiento.

Selección del FET

Para diseños de alta frecuencia, tales como el ejemplo de aquí para 4G LTE y frecuencias de operación más altas, los sistemas de potencia precisan ir más allá de los MOSFETs de potencia basados en Si. Los FETs de GaN resultan ideales en este momento ya que tienen pérdidas más bajas en estado ON a más altas frecuencias, donde el Si sería inutilizable. Los homólogos más cercanos son los compuestos de GaAs y de SiGe; no obstante, estas plataformas de materiales aún tienen bajo rendimiento en frecuencias de onda milimétricas (mm) donde se requiere alta eficiencia en la conversión de potencia.

Hay algunas razones por las que preferirá algo más que los MOSFET de Silicio para este tipo de fuentes de alimentación RF:

• Menor capacitancia de puerta
• Alta movilidad en la inversión capa vs capa de masa
• Límites de temperatura del dispositivo más altos
• Campo de ruptura más elevado
• Mayor conductividad térmica
• Menor capacitancia
• Saturación más acentuada durante la operación

Observe algunos resultados de búsquedas de Octopart para ver algunos ejemplos de componentes. Una vez que haya seleccionado sus FETS puede echar un vistazo a una simulación con una arbitraria señal de accionamiento para determinar la eficiencia de conversión de potencia en este diseño de regulador. Puede hacer esto con una simulación SPICE en tanto un modelo real para su conmutador de FETs esté disponible. Aquí, querrá comparar el tiempo promediado de la potencia de salida (utilizando el voltaje de salida Vo) entregada a la carga respecto del voltaje a través del capacitor volante para varios ciclos de trabajo.

Otro desafío mayor en el circuito aquí es conectar el arreglo de FETs en serie. He tratado en el pasado formaciones MOSFET en paralelo que se sabe que oscilan si no están cableados con un poco de resistencia en el arreglo de salida. Los FETs en serie son en realidad más difíciles de tratar en sistemas de potencia especialmente cuando hay un alto voltaje de entrada en la sección de conmutación. En una formación en serie, el objetivo es garantizar que el voltaje este distribuido de modo parejo a través del diseño, algo que es bastante difícil dado que la resistencia de juntura es no lineal dependiendo del voltaje de la puerta. En general el primer FET de la serie disipa la mayoría del voltaje por lo que será el primero en fallar. Trataré esto en más detalle en un próximo articulo (blog) dado que es un problema interesante, sin embargo, las estructuras de los buffers de los CMOS demuestran que es un problema fundamental en el diseño de circuitos integrados.

Consejos para la disposición de Convertidores Buck Multifase

Los puntos esenciales para pensar en su disposición son el aislamiento, la disipación de calor de sus arreglos de FETs y la distribución de caída de voltaje de manera pareja través de los FETs de su arreglo como se menciona arriba. 

• Aislamiento: La disposición de la placa con un enrutamiento muy ajustado para garantizar baja inductancia es el primer paso para prevenir la interferencia electromagnética (EMI) y ruido en componentes posteriores en el diseño. Un plano de tierra próximo ayuda a garantizar un enrutamiento de baja inductancia y proporciona algo de blindaje.
• Colocación: Dado el arreglo en serie de los FET y la necesidad de colocar controladores PWM cercanos, colocaría todo a lo largo de una disposición lineal para garantizar que la potencia de RF tomada del diseño no se acople con el lado de entrada del diseño.
• Disipación de calor: La generación avanzada de FETs que necesitará en una fuente de alimentación de alimentación RF disipará una gran cantidad de calor que necesita ser evacuado a alguna parte. Un plano próximo es una buena opción dado que puede conducir y evacuar el calor de los FETs. Una interfaz térmica entre la placa y la carcasa también contribuirá a eliminar el calor generado en la fuente.

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