Progettare un convertitore buck multifase per un alimentatore RF

Zachariah Peterson
|  Creato: September 13, 2021
Convertitore buck multifase per alimentatore RF

Sembra passato pochissimo tempo da quando si parlava del lancio della tecnologia 5G, eppure le prime reti 5G stanno già prendendo vita negli Stati Uniti, in Cina e in Corea del Sud. I sistemi 5G stanno cambiando il modo in cui i progettisti pensano alle stazioni base e alle apparecchiature trasmittenti, per non parlare di telefoni, automobili, ripetitori e prodotti IoT. Ma un'ulteriore espansione nel lancio della tecnologia 5G non potrà avvenire senza una maggiore innovazione delle stazioni base e l'evoluzione delle apparecchiature di trasmissione verso piccole celle localizzate per fornire servizio agli utenti.

All'interno delle apparecchiature per stazioni base 5G, gli alimentatori e gli amplificatori RF svolgono un ruolo centrale nella trasmissione del segnale, mentre gli alimentatori RF devono essere progettati per supportare il segnale efficacemente. Sfortunatamente, la vecchia generazione di prodotti MOSFET in silicio, carburo di silicio e arseniuro di gallio non è generalmente in grado di dissipare sufficientemente calore dai dispositivi attivi per raffreddarli. Abbiamo assistito a un'anteprima di questo problema di riscaldamento nell'estate del 2019, quando i modem 5G nei nuovi smartphone si spegnevano a causa del surriscaldamento. Un problema simile si verifica nelle stazioni base.

Normalmente, è necessario utilizzare componenti come dissipatori di calore o ventole per mantenere freschi gli stadi dell'amplificatore di potenza. Essi infatti generano calore durante il funzionamento, in particolare quando sono alimentati con alimentazione CC. Molto dello spazio nei sistemi di trasmissione RF è occupato dai dissipatori di calore, da un involucro ingombrante, ventole e da altre apparecchiature di raffreddamento. Raggiungere un ingombro inferiore e al contempo una maggiore efficienza degli alimentatori RF, richiede alcuni semplici ma importanti passaggi:

  • L'utilizzo di dispositivi semiconduttori più recenti come i FET in nitruro di gallio (GaN) su carburo di silicio (SiC)
  • Utilizzo di topologie di regolatori alternative per alimentatori e amplificatori, come convertitori buck multifase con tracciamento dell’inviluppo o envelope tracking (ET).

In questo articolo, esamineremo principalmente il secondo punto, in particolare una topologia di regolazione che consenta una maggiore efficienza di conversione della potenza negli alimentatori e amplificatori RF: il convertitore buck multifase. Vedremo un esempio che utilizza i MOSFET al nitruro di gallio (GaN) come elemento di commutazione nel convertitore, e osserveremo come questo tipo di convertitore sia integrato in un alimentatore per sistemi RF. Questo tipo di design dell'alimentatore ha lo scopo di fornire potenza stabile agli emettitori RF con segnali a modulazione di frequenza.

Alimentatori con tracciamento dell'inviluppo (Envelope Tracking)

Un'ottima tecnica per fornire alimentazione CC agli amplificatori di potenza RF consiste nell'utilizzare un alimentatore con envelope tracking, o tracciamento dell'inviluppo. In questo articolo non entrerò nei dettagli sulla progettazione di questo particolare tipo di alimentatore. Parlerò invece dei suoi vantaggi, per esempio di come il tracciamento dell'inviluppo comporti poca dissipazione di calore durante il funzionamento. Un alimentatore con tracciamento dell’inviluppo traccia l’inviluppo d’ampiezza del segnale modulato attraverso l’amplificatore. In questo modo, la potenza fornita all'amplificatore aumenta o diminuisce contemporaneamente al segnale di ingresso, dissipando quindi meno potenza sotto forma di calore quando il FET interno si avvicina allo stato OFF.

Funzionamento del tracciamento dell'inviluppo utilizzato in un alimentatore RF
Come funziona il tracciamento dell'inviluppo utilizzato in un alimentatore RF.

Questi sistemi tendono ad avere un rapporto tra picco e potenza media (PAPR) più elevato rispetto a sistemi di alimentazione simili che non utilizzano il tracciamento dell'inviluppo. Sono molti i tipi di alimentatori a tracciamento dell'inviluppo utilizzati in amplificatori lineari, convertitori a commutazione e convertitori con commutazione lineare assistita. L'obiettivo nel ridurre la potenza persa sotto forma di calore nell'amplificatore è quello di garantire un'efficienza elevata. Il tracciamento dell'inviluppo implementato in un alimentatore RF richiede una regolazione precisa con bassi livelli di rumore. Si potrebbe fare un confronto con i sistemi digitali dove il rumore di commutazione è molto meno importante dei transitori sul bus di potenza. Pertanto, si ottiene un design a basso rumore in grado di tracciare un'ampia larghezza di banda (livelli di 20 MHz) che ha anche basse perdite di commutazione allo spegnimento.

Per questa applicazione, negli alimentatori RF con tracciamento dell'inviluppo sarebbe meglio usare un convertitore buck multifase. Questo tipo di convertitore buck utilizza più stadi di pilotaggio che hanno un ritardo di fase forzato per pilotare una disposizione LC standard come quella di un circuito con convertitore buck standard. Questo tipo di convertitore buck è conveniente per tre motivi:

  1. Ha un ciclo di lavoro basso e una relazione di fase definita, mentre la corrente nell'induttore d’uscita ha una frequenza di commutazione più elevata, il che è vantaggioso per ridurre il rumore.
  2. Per questo, il pilotaggio a frequenze di commutazione più elevate permette di utilizzare un induttore di dimensioni ridotte.
  3. Sebbene la frequenza di commutazione equivalente che aziona l'induttore d’uscita sia elevata, è comunque possibile pilotare singoli stadi di commutazione a frequenze più basse.
  4. Con un induttore appropriato o un driver con ritardo di fase, è possibile implementare la commutazione a tensione zero, riducendo ulteriormente le perdite durante la commutazione graduale.

Progettazione del convertitore buck multifase

L'immagine seguente mostra uno schema circuitale d'esempio per un convertitore buck bifase con tre discreti livelli di uscita. Lo stadio di commutazione è la parte più complessa del circuito. Tuttavia, il filtro d'uscita LC svolge le stesse funzioni di un convertitore buck standard (monofase con filtro passa basso in modalità differenziale).

Convertitore buck a 2 fasi e 3 livelli
Convertitore buck a 2 fasi e 3 livelli

Questo progetto potrebbe concettualmente essere eseguito a frequenze di commutazione di ~100 MHz con commutazione a tensione zero (ZVS) purché venga utilizzato il giusto driver PWM ad alta frequenza. Il filtro di output del 4° ordine mostrato sopra fornisce il tracciamento dell'inviluppo nella larghezza di banda richiesta. Il diagramma temporale qui di seguito mostra come viene implementato il controllo della tensione attraverso il condensatore high-side (Vca) a un livello di uscita compreso tra Vin/2 e Vin per 0,5 < D < 1,0. La corrente d'uscita totale contiene ancora un po' di ripple, ma a 4 volte la frequenza rispetto alla frequenza di commutazione sui MOSFET high e low side.

Convertitore buck multifase
Forme d'onda del convertitore buck nel convertitore di commutazione proposto: 0,5 < D < 1 per un convertitore buck a 2 fasi e 3 livelli.

I condensatori flying (Ca eCb) svolgono qui un ruolo importante e hanno la stessa funzione di un tipico convertitore buck monofase, cioè quella di caricarsi e scaricarsi periodicamente quando l'array MOSFET commuta, fornendo così potenza attraverso gli induttori di uscita. Vorrei sottolineare un'importante conclusione forse non così ovvia:

un convertitore multifase si comporta come un convertitore monofase pilotato a N volte la frequenza o con N volte l'induttanza d’uscita.

Questo è il vantaggio principale di un convertitore a commutazione. In combinazione con il tracciamento dell'inviluppo e alcuni FET RON in nitruro di gallio bassi, la potenza assorbita da questo alimentatore da parte di un amplificatore avrà molto meno rumore, ma anche un ingombro ridotto e necessità di raffreddamento minori. Ora dobbiamo scegliere alcuni FET GaN (transistor ad effetto di campo al nitruro di gallio) e induttori d’uscita per ogni fase.

Selezione dell'induttore

Per implementare questo tipo di sistema, il passo successivo è quello di selezionare i FETS e gli induttori (contrassegnati con L1 high e low side) da utilizzare nella progettazione. Questi induttori sono importanti per pilotare la commutazione a tensione zero (ZVS) quando i valori di tensione drain-source nei transistor sono commutati dal driver. In questo tipo di applicazione, i FET GaN e gli MMIC sono preferibili come elementi di commutazione nei sistemi di alimentazione per i loro bassi valori RON e l'elevata conduttività termica, capaci di scaricare il calore nel substrato del PCB o in un dissipatore di calore vicino.

Anche se potrebbe non sembrare ovvio, l'induttore in questo sistema deve essere dimensionato correttamente per raggiungere la commutazione a tensione zero. Questa condizione di commutazione viene raggiunta selezionando il valore appropriato di L1 tale che la corrente di ripple picco-picco sia più del doppio del valore della corrente media. Normalmente, per implementare la ZVS, è necessario utilizzare un circuito di controllo complesso, in cui la corrente d’uscita è limitata dinamicamente tra i cicli di commutazione a tensione zero.

Successivamente, passiamo all'induttore L1, che dovrebbe essere progettato per adattarsi all'intervallo del ciclo di lavoro desiderato. Per un convertitore a tre livelli a N-fasi, il valore massimo di L1 richiesto per raggiungere la commutazione a tensione zero negli interruttori high side S1x e S2x con resistenza di carico RL, ciclo di lavoro D e frequenza di commutazione equivalente fs è:

Convertitore buck multifase
Induttore convertitore buck a 3 livelli a N-fasi.

Infine, il termine f nell'equazione precedente (frequenza equivalente) è mostrato di seguito. Si noti che, per N = 2, otteniamo il quadruplo della frequenza di pilotaggio, proprio come ci aspetteremmo dai grafici precedenti.

Convertitore buck multifase
Frequenza di commutazione equivalente del convertitore buck a N-fasi.

Il ciclo di lavoro in questi convertitori può variare da 0,1 a 0,9; L1 dovrebbe essere determinato dal valore massimo o minimo di D. Questo convertitore sarà collegato all'ingresso dell'amplificatore di potenza, che scenderà a bassa impedenza quando l'amplificatore riceve il segnale di pilotaggio.

Selezione dei FET

Per i progetti ad alta frequenza, come l'esempio qui per 4G LTE e frequenze operative più elevate, i sistemi di alimentazione devono andare oltre i MOSFET di silicio. I FET GaN sono il dispositivo ideale in questo momento, in quanto hanno perdite di stato ON inferiori a frequenze più elevate, dove il silicio sarebbe inutilizzabile. Le alternative più simili sono l'arseniuro di gallio (GaAs) e il germaniuro di silicio (SiGe), ma questi materiali hanno ancora prestazioni inferiori alle frequenze mmWave dove è necessaria una conversione di potenza ad alta efficienza.

Sono molte le ragioni per cui è necessario qualcosa di più dei MOSFET in silicio per questo tipo di alimentazione RF:

  • Capacità di ingresso (gate) inferiore
  • Elevata mobilità nel layer di inversione rispetto al layer di massa
  • Limiti di temperatura del dispositivo più elevati
  • Tensione di rottura maggiore
  • Maggiore conducibilità termica
  • Capacità inferiore
  • Saturazione più profonda durante il pilotaggio

Dai un'occhiata ad alcuni risultati di ricerca di Octopart per vedere alcuni componenti d'esempio. Dopo aver selezionato i FET giusti, potrai avviare una simulazione con un segnale di pilotaggio arbitrario per determinare l'efficienza di conversione di potenza di questo regolatore. Puoi farlo con una simulazione SPICE purché sia disponibile un modello reale per i tuoi FET di commutazione. Ti consigliamo di confrontare la potenza di uscita media nel tempo (usando la tensione di uscita Vo) fornita al carico, con la tensione del condensatore flying per vari cicli di lavoro.

Un'altra grande sfida del circuito è quella di collegare gli array FET in serie. In passato, ho parlato degli array MOSFET paralleli, che sono noti per oscillare se non cablati con un po' di resistenza nell'output dell'array. I FET in serie sono in realtà più difficili da gestire nei sistemi di alimentazione, specialmente quando c'è un'alta tensione d'ingresso nella sezione di commutazione. In una disposizione in serie, l'obiettivo è quello di garantire una distribuzione uniforme della tensione, cosa piuttosto difficile poiché la resistenza di giunzione non è lineare ma dipende della tensione del gate. In generale, il primo FET nell'array in serie dissipa la maggior parte della tensione, quindi tenderà a guastarsi per primo. Questo è un problema interessante, che merita di essere approfondito ulteriormente, ma la struttura dei buffer CMOS mostra che è una questione fondamentale nella progettazione di circuiti integrati.

Suggerimenti per il layout dei convertitori buck multifase

I punti fondamentali da tenere in considerazione nel layout sono l'isolamento, la dissipazione del calore negli array FET, e la distribuzione uniforme della caduta di tensione attraverso i FET nell'array come menzionato sopra.

  • Isolamento: eseguire un buon routing per garantire una bassa induttanza è il primo passo per prevenire un'eccessiva EMI e rumore a valle. Posizionare un piano di massa nelle vicinanze aiuta a garantire un percorso a bassa induttanza e a fornire una certa schermatura.
  • Posizionamento: data la disposizione in serie dei FET e la necessità di posizionare controller PWM nelle vicinanze, suggerirei di collocare tutto lungo una disposizione lineare per garantire che la potenza RF estratta dal progetto non si riaccoppi col lato di input.
  • Dissipazione del calore: i FET necessari in un alimentatore RF dissipano molto calore e quel calore deve poter andare da qualche parte. Un piano nelle vicinanze è una buona soluzione per condurre il calore lontano dai FET. Un materiale di interfaccia termica tra la scheda e l'involucro aiuterà anche a rimuovere il calore generato nell'alimentatore.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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