Conception d'un convertisseur Buck multiphase pour une alimentation RF

Il semble qu'hier encore, nous parlions des futurs déploiements de la 5G, et maintenant les premiers réseaux 5G prennent déjà vie aux États-Unis, en Chine et en Corée du Sud. Les systèmes 5G changent la façon dont les concepteurs abordent les stations de base et émetteurs, ainsi que les terminaux, les automobiles, les répéteurs et les produits IoT. L'expansion des déploiements de la 5G ne peut se faire sans une plus grande innovation dans les stations de base et l'expansion des équipements d'émission vers de petites cellules localisées afin que les services puissent être correctement fournis aux utilisateurs.

Parmi l'ensemble des équipements de station de base que vous trouverez sur le terrain, les alimentations et amplificateurs RF jouent un rôle central dans la transmission des signaux, et les alimentations radiofréquence doivent être conçues pour prendre en charge la signalisation de ces systèmes avec une grande efficacité. Malheureusement, la première génération de produits MOSFET de puissance Si, SiC et GaAs est généralement incapable de dissiper suffisamment de chaleur loin des dispositifs actifs pour que ces derniers puissent rester froids. Nous avons vu une variante de ce problème de chauffage en été 2019, lorsque les modems 5G des nouveaux smartphones s'arrêtaient en raison d'une surchauffe. Un problème similaire se produit dans les stations de base.

Normalement, vous devez utiliser des composants tels que des dissipateurs thermiques ou des ventilateurs pour maintenir au frais les étages d'amplificateurs de puissance qui génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement, en particulier lorsqu'ils sont alimentés par une alimentation en courant continu. Les systèmes d'émission RF doivent consacrer beaucoup d'espace aux dissipateurs thermiques, à un boîtier volumineux, aux ventilateurs et à d'autres équipements de refroidissement. Pour réduire l'encombrement des alimentations RF tout en améliorant leur efficacité, il suffit de suivre quelques étapes simples mais importantes :

• Utilisation de dispositifs à semi-conducteurs plus récents comme les FET en GaN sur SiC
• Utilisation de topologies de régulateurs alternatives pour les alimentations et les amplificateurs, comme les convertisseurs Buck multiphases à suivi d'enveloppe.

Dans cet article, nous nous pencherons principalement sur le second point, en particulier sur une topologie de régulateur qui permet d'obtenir un meilleur rendement de conversion de puissance dans les alimentations et amplificateurs RF : le convertisseur Buck multiphase. Au fur et à mesure que nous aborderons cette conception, je montrerai un exemple qui utilise des MOSFETs GaN comme élément de commutation dans ce convertisseur, et comment ce type de convertisseur est intégré dans une alimentation pour les systèmes RF. Ce type de conception d'alimentation est destiné à fournir une alimentation stable aux émetteurs RF avec des signaux modulés en fréquence.

Alimentations à suivi d'enveloppe

Un moyen privilégié de fournir une alimentation en courant continu aux alimentations RF est d'utiliser une alimentation à suivi d'enveloppe. Je ne vais pas entrer dans les détails de la conception de ce type particulier d'alimentation, je laisserai cela pour un autre article. Le principal avantage de l'utilisation du suivi d'enveloppe est la réduction de la dissipation de chaleur pendant le fonctionnement. Une alimentation à suivi d'enveloppe suit l'enveloppe d'amplitude superposée du signal modulé qui passe par l'amplificateur. De cette façon, la puissance fournie à l'amplificateur augmente ou diminue aux mêmes moments que le signal d'entrée, de sorte que moins de puissance sera dissipée sous forme de chaleur lorsque le FET interne est proche de son état OFF.

Ces systèmes ont tendance à avoir un rapport puissance crête/puissance moyenne (PAPR) plus élevé que les systèmes d'alimentation comparables qui n'utilisent pas le suivi d'enveloppe. De nombreux types d'alimentations à suivi d'enveloppe ont été utilisés dans des amplificateurs linéaires, des convertisseurs à commutation et des convertisseurs à commutation linéaire assistée. L'objectif de la réduction de la puissance perdue sous forme de chaleur dans l'amplificateur est de garantir un rendement élevé. Le suivi d'enveloppe mis en œuvre dans une alimentation RF nécessite une régulation précise avec un faible bruit. Comparez cela aux systèmes numériques, où le bruit de commutation est beaucoup moins important que les transitoires sur le bus d'alimentation. Il faut arriver à une conception à faible bruit qui peut suivre une large bande passante (niveaux de 20 MHz) et qui présente également de faibles pertes par commutation à l'extinction.

Pour cette application dans les alimentations RF à suivi d'enveloppe, nous préférons un convertisseur Buck multiphase. Ce type de convertisseur Buck utilise plusieurs étages de commande qui ont un retardement de phase forcé pour commander l’arrangement LC standard que vous trouverez dans un circuit de convertisseur Buck standard. Nous souhaitons utiliser ce type de convertisseur Buck pour trois raisons :

1. En fonctionnant à un faible rapport cyclique et en fixant une relation de phase définie, le courant dans l'inducteur de sortie connaît une fréquence de commutation plus élevée, ce qui est bénéfique pour un faible bruit.
2. En raison du numéro 1, le pilotage à une fréquence de commutation combinée plus élevée vous permet d'utiliser une inductance physiquement plus petite si vous le souhaitez.
3. Bien que la fréquence de commutation équivalente qui commande l'inducteur de sortie soit élevée, vous pouvez toujours commander des étages de commutation individuels à des fréquences plus basses.
4. Avec une inductance appropriée ou un circuit d'attaque à retardement de phase, il est possible de réaliser une commutation à tension nulle, ce qui réduit encore plus les pertes pendant la commutation douce.

Conception d'un convertisseur Buck multiphase

L'image ci-dessous montre un exemple de schéma de circuit pour un convertisseur Buck à deux phases avec trois niveaux de sortie discrets. L'étage de commutation est la partie la plus complexe du circuit. Cependant, le filtre LC de sortie remplit les mêmes fonctions que dans un convertisseur Buck standard (monophasé) (filtre passe-bas en mode différentiel).

Cette conception pourrait être exécutée à des fréquences de commutation de ~100 MHz avec une commutation sans tension (ZVS), à condition d'utiliser le pilote PWM haute fréquence approprié. Le filtre de sortie d'ordre 4 présenté ci-dessus permet de suivre l'enveloppe dans la bande passante requise. Le diagramme temporel ci-dessous montre comment la commande de tension est mise en œuvre à travers le condensateur volant côté haut (V_Ca) aà un niveau de sortie compris entre V_in/2 et V_in pour 0.5 < D < 1.0. Le courant de sortie total contient toujours une certaine ondulation, mais à une fréquence 4x plus élevée que la fréquence de commutation des MOSFETs côté haut et bas.

Les condensateurs volants (C_a et C_b) jouent ici un rôle important et ont la même fonction que dans un convertisseur Buck monophasé typique : se charger et se décharger périodiquement lorsque le réseau de MOSFET commute, délivrant ainsi de l'énergie aux inductances de sortie. J'aimerais souligner une conclusion importante que vous pouvez tirer du graphique ci-dessus et qui n'était peut-être pas évidente auparavant :

Un convertisseur multiphasé se comporte comme un convertisseur monophasé commandé à N fois la fréquence, ou avec N fois l'inductance de sortie.

C'est l'avantage principal d'un convertisseur à découpage. Combiné avec le suivi d'enveloppe et quelques FET GaN à faible RON, la puissance tirée de cette alimentation par un amplificateur aura beaucoup moins de bruit avec un encombrement plus faible et des demandes de refroidissement plus légères. Maintenant, nous devons choisir des GaN FETs et des inductances de sortie pour chaque phase.

Sélection de l'inducteur

Pour mettre en œuvre ce type de système, la tâche suivante consiste à sélectionner les FETS et les inductances (marquées L1 sur les côtés haut et bas) utilisés dans la conception. Ces inductances sont importantes pour piloter la commutation sans tension (ZVS) lorsque les valeurs de tension drain-source des transistors sont commutées par le pilote. Dans ce type d'application, les transistors à effet de champ (FET) et les circuits intégrés monolithiques (MMIC) en GaN sont les plus appropriés pour être utilisés comme éléments de commutation dans les systèmes de puissance en raison de leurs faibles valeurs RON et de leur conductivité thermique élevée, qui évacue la chaleur dans le substrat du circuit imprimé ou vers un dissipateur thermique situé à proximité.

Bien que cela ne soit pas évident, l'inducteur de ce système doit être correctement dimensionné pour atteindre la commutation sans tension (ZVS). Cette condition de commutation est atteinte en sélectionnant la valeur appropriée de L1 de sorte que le courant d'ondulation crête à crête soit plus de deux fois supérieur à la valeur du courant moyen. Normalement, pour mettre en œuvre la ZVS, il faudrait utiliser un circuit de commande complexe, où le courant de sortie serait limité dynamiquement entre les cycles de ZVS.

Ensuite, nous arrivons à l'inductance L1, qui doit être conçue pour s'adapter à la plage de rapport cyclique souhaitée. Pour un convertisseur à trois niveaux à N phases, la valeur maximale de L1 requise pour atteindre la commutation sans tension dans les commutateurs côté haut S1x et S2x avec une résistance de charge R_L, un rapport cyclique D et une fréquence de commutation équivalente f_s est la suivante :

Enfin, le terme f de l'équation ci-dessus (fréquence équivalente) est représenté ci-dessous. Remarquez que, pour N = 2, nous obtenons une fréquence d'entraînement quadruplée, comme nous nous y attendions d'après les graphiques ci-dessus.

Le rapport cyclique de ces convertisseurs peut varier de 0,1 à 0,9 ; L1 doit être déterminé par rapport à la valeur maximale ou minimale de D. Ce convertisseur sera connecté à l'entrée de l'amplificateur de puissance, qui passera en basse impédance lorsque l'amplificateur recevra son signal de commande.

Sélection des FET

Pour les conceptions haute fréquence, comme l'exemple ici pour la 4G LTE et les fréquences de fonctionnement plus élevées, les systèmes d'alimentation doivent aller au-delà des MOSFET de puissance en Si. Les transistors à effet de champ GaN sont le dispositif idéal à l'heure actuelle, car à l'état passant à des fréquences plus élevées, où le Si serait inutilisable, ils présentent des pertes plus faibles. Leurs homologues les plus proches sont le GaAs et le SiGe, mais ces platesformes matérielles sont toujours moins performantes aux fréquences d'ondes millimétriques, où une conversion de puissance à haut rendement est nécessaire.

Il y a quelques raisons pour lesquelles vous voulez quelque chose de plus que des Si MOSFETs pour ce type d'alimentation RF :

• Capacité de grille inférieure
• Mobilité élevée dans la couche d'inversion par rapport à la couche massive
• Limites de température du dispositif plus élevées
• Champ de rupture plus élevé
• Conductivité thermique supérieure
• Capacité inférieure
• Une saturation plus profonde pendant la conduite

Jetez un coup d'œil aux résultats de la recherche Octopart pour voir quelques exemples de composants. Une fois que vous avez sélectionné vos transistors à effet de champ, vous pouvez effectuer une simulation avec un signal de commande arbitraire pour déterminer l'efficacité de la conversion de puissance de cette conception de régulateur. Vous pouvez le faire avec une simulation SPICE, à condition qu'un modèle réel de vos transistors à effet de champ soit disponible. Ici, vous voudrez comparer la puissance de sortie moyenne dans le temps (en utilisant la tension de sortie Vo) délivrée à la charge à la tension aux bornes du condensateur volant pour différents cycles d'utilisation.

Un autre défi majeur du circuit ici est de connecter les réseaux de FET en série. J'ai parlé des réseaux de MOSFET parallèles dans le passé, qui sont connus pour osciller s'ils ne sont pas câblés avec un peu de résistance dans la sortie du réseau. Les FET en série sont en fait plus difficiles à gérer dans les systèmes d'alimentation, en particulier lorsqu'il y a une tension d'entrée élevée dans la section de commutation. Dans un montage en série, l'objectif est de s'assurer que la tension est distribuée de manière égale à travers la conception, ce qui est assez difficile car la résistance de jonction est non linéaire, en fonction de la tension de grille. En général, le premier FET du montage en série dissipe le plus de tension, il tombera donc en panne le premier. Je me pencherai davantage sur ce problème dans un prochain article car il est intéressant, mais la structure des tampons CMOS montre qu'il s'agit d'un problème fondamental dans la conception des circuits intégrés.

Conseils de disposition pour les convertisseurs Buck multiphases

Les points essentiels à prendre en compte dans votre disposition sont l'isolation, la dissipation de la chaleur de vos réseaux de transistors à effet de champ (FET), et la distribution de la chute de tension de manière égale sur les FET de votre réseau, comme mentionné ci-dessus. 

• Isolation : L'agencement de la carte avec un routage serré pour assurer une faible inductance est la première étape pour empêcher les EMI et le bruit excessifs reçus en aval dans la conception. Un plan de masse à proximité contribue à assurer un routage à faible inductance et fournit un certain blindage.
• Placement : Compte tenu de la disposition en série des transistors à effet de champ et de la nécessité de placer des contrôleurs PWM à proximité, je placerais tout dans une disposition linéaire afin de m'assurer que la puissance RF tirée de la conception ne se couple pas à l'entrée de la conception.
• Dissipation de la chaleur : Les FET avancés dont vous auriez besoin dans une alimentation RF dissipent beaucoup de chaleur, et cette chaleur doit aller quelque part. Un plan proche est une bonne option car la chaleur peut alors être conduite loin des FET. Un matériau d'interface thermique entre la carte et le boîtier aidera également à évacuer la chaleur générée par l'alimentation.

Si vous recherchez le meilleur ensemble d'utilitaires de conception de circuits et d'implantation de PCB pour l'électronique moderne, utilisez l'ensemble complet d'outils de conception de PCB d'Altium Designer^®. Lorsque vous devez évaluer l'intégrité de l'alimentation et les interférences électromagnétiques de votre conception, les utilisateurs d'Altium Designer peuvent utiliser l'extension EDB Exporter pour importer leur conception dans les solveurs de terrain d'Ansys et effectuer une série de simulations SI/PI. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez diffuser les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qui est possible avec Altium Designer sur Altium 365. Commencez dès aujourd'hui votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365.