Guía de diseño y disposición para fuentes de alimentación RF

Una cosa es bien segura: el diseño de fuentes de alimentación puede ser bastante más complejo que el simple trazado de líneas de transmisión DC a tus componentes. El diseño de fuentes de alimentación RF precisa de un cuidado especial para garantizar que funcionen sin transferir un exceso de ruido entre las diversas porciones del sistema, cosa que resulta más complicada debido a los altos niveles de potencia involucrados. Además de una cuidadosa disposición, los circuitos deben ser diseñados de manera tal que el sistema produzca unas conversión y distribución de energía eficaces para cada subsección del sistema.

Los sistemas de muy alta potencia todavía se diseñan con componentes discretos que pueden estar conectados en una carcasa o cuadro de gran tamaño, pero los sistemas de potencia de menor tamaño se pueden colocar en una PCB con algunos nuevos componentes y estrategias de regulación de potencia. Los problemas de estos sistemas suelen caer dentro de dos grandes categorías:

• Generación de calor en FETs y amplificadores, lo que motiva el uso de semiconductores avanzados, como los de nitruro de galio (GaN) sobre carburo de silicio (SiC) para amplificación de RF.
• La aparición de capacitancias e inductancias parásitas que pueden producir filtraciones de alta potencia a los circuitos próximos a lo largo de la línea de alimentación, lo que requiere un enrutamiento y posicionamiento de los componentes cuidadoso.

El primer punto ocurre en el "front end", cuando los componentes se seleccionan para los circuitos de potencia y se colocan en tus diagramas esquemáticos. Es en el 2º de los puntos anteriores en donde la disposición y el trazado cobran importancia. Cubriremos un poco de ambas áreas en este artículo, para que los nuevos diseñadores de RF puedan finalizar sus stackup y disposiciones antes de hacer sus trazados.

Comenzar a diseñar tu fuente de alimentación RF

Desde la perspectiva del diseño de circuitos, las fuentes de alimentación RF requieren de algunas de las mismas etapas de regulación y filtración de cualquier otra fuente de alimentación pensada para sistemas DC. La tarea principal de una fuente de alimentación RF es suministrar electricidad a un sistema RF a la frecuencia deseada, lo que incluye a los componentes estándar empleados para generar y condicionar una señal RF (osciladores, filtros activos, amplificadores, etc.). La fuente de alimentación también debe poder responder a la modulación. Además de proveer la modulación, el diseño de fuentes de alimentación RF debe compartir algunos de los requisitos comunes con una placa de circuitos RF típica, específicamente bajas pérdidas a altas frecuencias y rangos de temperatura y propiedades térmicas adecuados.

El diagrama de bloques que se muestra abajo indica, a alto nivel, cómo generar energía RF a altas frecuencias.

Las fuentes de alimentación RF también operan a la inversa, recibiendo una señal RF y rectificándola para producir un voltaje DC. Esto requiere de la creación de un circuito rectificador de RF, en lo que no profundizaremos mucho en este artículo porque puede resultar más bien complejo. En lugar de eso, nos enfocaremos en el aspecto de la procura de RF.

Reguladores y filtración

Las fuentes de alimentación RF que operan a altas frecuencias, típicamente en el orden de los MHz o GHz típicamente se crean a partir de componentes discretos. Sin embargo, es posible colocar todas las secciones antes mencionadas en la misma placa. El primer paso es la selección del regulador y el diseño de los filtros. En el diagrama de bloques antes indicado, el filtro de mayor orden y el regulador conmutado deben fabricarse para ajustarse a la envolvente de cualquier señal modulada (para salida AM) o para modular su salida en la frecuencia de banda base (para salida FM). Esto puede requerir de una topología multifásica y multinivel para tu diseño; lee este artículo para conocer más acerca de las porciones del regulador y filtro del diseño.

Al seleccionar cualquier tipo de regulador de salida (que pueden ser conmutados o LDO), es importante tener presente su nivel de eficiencia. Si estás usando un LDO, el diferencial de tensión no debe ser muy alto porque esto generaría una gran caída de potencia en el LDO y la alta resistencia térmica del componente puede causar que este se caliente rápidamente por encima de su rango operacional de temperaturas. En un prototipo reciente que creamos en mi compañía, optamos por un LDO con enfriamiento conductivo integrado en la carcasa. Si necesitas disminuir la tensión en gran medida, puedes usar un regulador conmutado y aplicar otro filtro de alto orden para garantizar que el puerto VDD, el VGG y el oscilador reciban un bajo nivel de ruido.

Cómo manejar las tierras

Al igual que ocurre con cualquier otro diseño de señales mixtas, no es buena idea intentar aislar galvánicamente la salida de tu regulador conmutado (si lo estás usando) de la sección de RF enrutando a tierras divididas. Crearás el mismo tipo de problemas de EMI que verías cuando una señal digital de salida simple se enruta sobre un espacio en un plano de tierra. Este es un error común en sistemas de señal mixta, y es fácil cometer el mismo error en un sistema RF si se asume que la salida del regulador conmutado es puramente DC. Incluso con un rastreo de envolventes, estarás graficando el tiempo promedio de la potencia a la frecuencia de banda base, que podría estar en el orden de las decenas o centenares de MHz.

Mantén una tierra uniforme y buenas prácticas de ubicación al mantener el control de impedancia en las líneas coplanaresen vez de intentar tomar la "salida fácil" y dividir tu capa de tierra. Si puedes colocar los componentes RF en sus propias secciones y colocar los componentes de regulación/DC en sus propias secciones, podrás evitar la interferencia entre estos siempre que puedas rastrear adecuadamente los trayectos de retorno.

Diseño del stackup y selección de los materiales

Al diseñar tu arreglo de capas de tu PCB (stackup), necesitarás tener en cuenta la frecuencia de operación de tu regulador y la longitud de tus líneas RF en la placa. Para líneas RF más largas, necesitarás usar un laminado de bajas pérdidas, posiblemente un laminado de PTFE. Si las fuentes de alimentación RF no alimentan a líneas de transmisión muy largas, o si no te preocupan mucho las pérdidas, normalmente puedes recurrir a laminados FR4 para los materiales de tu stackup. Una manera de llegar a un compromiso entre un bajo nivel de pérdidas y bajos costos es usar un stackup híbrido con un dieléctrico de bajo nivel de pérdidas para respaldar a tus líneas de RF.

El ejemplo anterior, con una línea de voltaje dispuesta sobre una tierra, se puede realizar en una placa de 4 capas siempre que las líneas de transmisión RF también se tracen en una capa superficial. También podrías usar una tierra uniforme y un plano de potencia para alimentar a los componentes desde la sección del regulador y para trazar las líneas de transmisión RF en la capa superficial para mantener una placa con 4 capas. Esta es una buena manera de usar un stackup híbrido con PTFE de bajas pérdidas en la capa superficial. Sin embargo, el único aislamiento que se puede lograr de manera confiable en esta placa proviene de la coplanaridad en tus enrutamientos, por ejemplo, de la "cerca" de vías que coloques alrededor de las líneas de RF y alrededor de los componentes para evitar el acoplamiento de ruido entre secciones de la placa.

También podría usarse un stackup de 6 capas o de 8 capas para este tipo de diseño cuando necesites trabajar con mayores niveles de potencia y a la vez suministrar un alto nivel de aislamiento. Por ejemplo, podrías hacer que L3 fuese una capa de señal para líneas de transmisión RF coplanares entre dos planos GND (en L2/L4) y después colocar la alimentación en L5, y posiblemente enrutar cualquier otra señal que necesites en las capas superficiales o en L5 (ver debajo). Esto funciona mejor para diseños de alta potencia que requieran de mucho aislamiento, porque el plano de tierra hará de aislante entre las capas.

Al suministrar aislamiento entre las diferentes secciones del diseño, puedes ayudar a evitar los acoplamientos parásitos que permiten que el ruido se propague a la salida. La salida de la alimentación debe tener una cantidad de ruido y una distorsión lo suficientemente bajas como para suministrar una alimentación limpia a los demás componentes. Existen dos principales fuentes de ruido en este tipo de diseños:

• Ruido del regulador conmutado o de una entrada DC ruidosa 
• Ruido de acoplamiento que regresa a la entrada del amplificador desde la salida

Ambos puntos se resuelven mediante los consejos de diseño para stackup aquí mencionados, así como con una colocación inteligente de las secciones más ruidosas lejos de la sección de salida de RF. El segundo punto es más complicado a altas frecuencias, y es posible que la salida RF perciba una realimentación positiva si se acopla con la entrada de la etapa del amplificador. El trazado y el filtrado también son muy importantes, porque pueden suministrar aislamiento y eliminación de ruido adicionales.

Colocación y trazado

Estos dos aspectos del diseño son claves, porque necesitas suprimir los problemas de ruido mencionados en los dos puntos anteriores. Traza las pistas RF desde el oscilador, a través del amplificador y hacia la salida como guías de ondas coplanares aterradas (ya sea en la superficie o en las capas internas) para garantizar que haya algún tipo de aislamiento. No uses pistas blindadas como protección, puesto que crearán más ruido de acoplamiento; usa solamente el estilo de vías que hayas calculado para tus líneas coplanares. Además, debes asegurarse de que, si realizas el trazado en una capa interna, que determines correctamente si precisarás de una perforación adicional mediante el análisis de los terminales de sus vías.

Cualquier otra condición necesaria en la salida depende de la función de la alimentación. ¿Se enrutará directamente a una antena, o a una línea coaxial SMA/u.FL? Es muy típico pasar la salida de RF a través de un filtro (ya sea BAW o SAW), aunque es necesario tener cuidado con la selección de los componentes, porque los filtros BAW o SAW empacados en chips no siempre toleran las altas potencias de RF que se usan en algunas fuentes de alimentación RF.

En otros componentes es posible que necesites que la red de salida RF incluya un aislador / circulador para evitar que cualquier reflejo pueda regresar al amplificador. Existen algunos aisladores SMD que se pueden usar en la salida, cosa particularmente importante si estás implementando alimentación por RF o enviando tu salida RF directamente a una antena.

Si necesitas enrutar cualquier señal a través de un módulo RF externo, puedes colocar conectores SMD u.FL o SMA para realizar estas conexiones. Puedes sacar la señal de la placa, pasarla a través del módulo y hacerla regresar a la placa según te haga falta en caso de que tus niveles de potencia superen los valores permisibles para un componente equivalente SMD/agujero pasante en la placa.

En resumen

Si bien los diseños para fuentes de alimentación y amplificadores de potencia RF típicamente se crean a partir de elementos discretos de filtros, los componentes más recientes te permiten ser muy agresivo con tu factor de forma y consolidar muchos de estos elementos en una placa única. Y por supuesto, asegúrate de consultar a tu fabricante acerca de tu stackup para garantizar que se pueda fabricar como una placa híbrida. También, debes asegurarse de tener en cuenta la rugosidad de cobre y la dispersión dieléctrica en tus líneas de transmisión para garantizar que la impedancia de tu línea de transmisión RF tenga el valor típico de 50 Ohms.

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