RF電源の設計とレイアウトのガイド

1つ確かなことがあります。電源のデザインは、単にDC電力線をコンポーネントに配線するよりもはるかに複雑になる可能性があることです。RF電源デザインでは、システムの一部の間で過剰なノイズを伝達させずに機能するように特別な配慮が必要です。これは関与する電力レベルが高いためにより困難になります。ていねいなレイアウトに加えて、システムが効率的な電力変換とシステムの各サブセクションへの供給を提供するように電気回路をデザインする必要があります。

非常に高電力システムは、大型のハウジングまたはキャビネットの中に接続される可能性のあるディスクリートコンポーネントでデザインされていますが、小型の電源システムは、いくつかの新しいコンポーネントと電力制御戦略によって PCB上に配置できます。これらのシステムにおける課題は、2つの主要な領域に該当します。

• FETおよびアンプの発熱。これは、RFアンプ用の SiC上のGaNのような高度な半導体を使用することの動機付けになります。
• 電力供給ラインに沿って近くの回路に高電力が漏出させてしまう可能性がある寄生成分、これにはていねいな配置と配線が必要です

最初のポイントは、コンポーネントが電源回路用に選択され、回路図に配置された時に、フロントエンドで発生します。上の2番目のポイントは、レイアウトと配線がより重要になる場所です。新米の RF設計者が配線の前にスタックアップと配置を完了させられるように、両方の領域についてこの記事で説明します。

RF電源のデザインの開始

回路設計の観点からは、 RF電源はDCシステムを対象とした他の電源と同じ制御および選別ステージをいくつか必要とします。RF電源の主な役割は、 RF信号(発振器、アクティブフィルター、アンプなど)の生成と状態の調整に使用される標準コンポーネントを含め、関係のある周波数でRFシステムへ電力を提供することです。電源は変調にも応答できる必要があります。変調に対応するだけでなく、 RF電源デザインでは、一般的なRF回路基板と同じ要件、つまり高周波数での低損失、十分な高温度定格および熱特性を共有することが推奨されます。

以下のブロック図は、高周波でRF電力を生成する方法をハイレベルで示しています。

RF電源は、RF信号を受信して直流電圧に整流する場合、インバースでも動作します。このためには、 RF整流器回路を構築する必要があります。これについては、関連度が低いためこの記事ではあまり触れません。逆に、 RF電源供給の側面に焦点を当てます。

レギュレータおよびフィルトレーション

高周波(つまり、高MHzまたはGHz)での電源供給が必要なRF電源は、通常、ディスクリートコンポーネントで構築されます。しかしながら、上記のすべてのセクションを同じ基板に配置できます。最初のステップは、レギュレータの選択とフィルターのデザインです。上記のブロック図では、変調された信号(AM出力用)のエンベロープに従うか、ベースバンド周波数(FM出力用)で出力を変調するために、高次フィルタおよびスイッチングレギュレータを構築する必要があります。これには、デザインにマルチフェーズでマルチレベルのトポロジーが必要な場合があります。デザインのレギュレータおよびフィルタ部分の詳細については、この記事を参照してください。

ダウンストリーム・レギュレータ(スイッチングまたはLDO)を選択する際は、効率を重視するように気をつけてください。LDOを使用している場合、電圧差は高すぎないようにしてください。これにより、LDO上の電力が大幅に低下し、コンポーネントの高い熱抵抗により、温度定格を超えて急速に加熱される可能性があるからです。私の会社が製造した最近の試作品では、筐体経由で伝導冷却を行うLDOを選択しました。電圧を大幅に低下させる必要がある場合は、スイッチングレギュレータを使用して別の高次フィルタを適用し、必ずVDD ポート、 VGGポート、およびオシレーターに低ノイズが供給されるようにすることが推奨されます。

グラウンドの取り扱い方法

他の混在信号のデザインとちょうど同じく、スプリットグラウンド上に配線することによってRFセクションからスイッチングレギュレータ出力(使用している場合)をガルバニック絶縁しようとしてはなりません。シングルエンドデジタル信号がグラウンドプレーンのギャップに配線された場合と同じタイプのEMI問題が起きます。これは混在信号システムでよくある間違いであり、スイッチングレギュレータからの出力が完全に直流であると仮定することで、RFシステムで同じ間違いを犯しやすくなります。エンベロープ・トラッキングを使用しても、ベースバンド周波数での時間平均消費電力は、数十MHzまたは数百MHzの幅で算出されます。

簡単な配線を採用し、グラウンド層を分割するのではなく、コプレーナライン上のインピーダンス制御を維持すると同時に、均一な接地を保持し、適切な配置を練習してください。RFコンポーネントを独自のセクションに配置し、直流/制御コンポーネントを独自のセクションに配置できる場合は、リターンパスを適切に監視できる限り、コンポーネント間の干渉を防止できます。

スタックアップのデザインと材料の選択

スタックアップをデザインする際には、レギュレータの動作周波数およびボード上のRFラインの長さを考慮する必要があります。RFラインが長い場合は、低損失ラミネート(場合によっては PTFEラミネート)を使用する必要があります。長いラインを配線していないRF電源、または損失を気にしなくていい場合は、通常、スタックアップ材料としてFR4ラミネートを使用することができます。低損失と低コストを妥協させる1つの方法は、RFラインに対応する低損失誘電体を備えたハイブリッド・スタックアップを使用することです。

上記の例では、サーフェスレイヤー上にRFラインも配線している限り、4層の基板上で電源レールをグラウンド上に配線できます。また、均一なグラウンドとパワープレーンを使用して、レギュレータセクションからコンポーネントに電力を供給し、表面層上のRFラインを配線して4層の基板を維持することもできます。 これは、表面層に低損失PTFEのハイブリッドスタックアップを使用するのに優れた方法です。しかしながら、この基板で確実に実現できる唯一の分離は、配線のコプラナリティから得られます。つまり、RFラインの周囲とコンポーネントの周囲に配置するビアフェンスから得られ、基板セクション間のノイズカップリングを防止できます。

このタイプのデザインには、高いパワーで作業しながら高い分離性を実現する必要がある場合に、6層または8層のスタックアップを使用することもできます。例えば、2つのGNDプレーン間(L2/L4 上)のコプレーナRFラインの信号レイヤをL3にしてから、L5に電源を入れ、必要に応じて表面層またはL6にその他の信号を配線することができます(以下を参照)。これは、グラウンドプレーンがレイヤ間をシールドするため、多くの分離が必要な高出力デザインに適しています。

デザインの様々なセクション間に分離を提供することで、ノイズが出力に伝播してしまう寄生カップリングのタイプを防止できます。電源からの出力は、他のコンポーネントにクリーンな電力を供給するために、ノイズと歪みが十分に低いことが推奨されます。このタイプのデザインには、主に次の 2 つのノイズ源があります。

• スイッチングレギュレータからのノイズ、または直流入力のノイズ。
• 出力からアンプ入力に戻るノイズカップリング

両方のポイントは、ここで説明したスタックアップデザインのヒント、およびノイズの多いセクションをRF出力セクションから離れた場所にスマートに配置することで解決できます。2 番目のポイントは、高い周波数ではより難題であり、アンプステージの入力にカップリングして戻すことで、RF出力の経験にポジティブフィードバックを得る可能性があります。また、配線とフィルトレーションは、追加的な分離とノイズ除去の向上に役立つため、非常に重要です。

配置および配線

上記の2つのポイントで述べたノイズの問題を抑制する必要があるため、この2つのデザインの側面は重要です。RFトレースをオシレーターからアンプを経由して(表面または内部層の)接地されたコプレーナ導波管としての出力へ配線し、分離があることを確認します。ガードトレースを使用してシールディングを提供しないでください。ガードトレースを使用するとノイズカップリングが増加します。コプレーナラインに対して計算したビアフェンスのスタイルのみを使用してください。また、内部レイヤ上で配線を行う場合、ビアスタブを分析してバックドリリングが必要かどうかを判断する必要があります。

出力に必要なその他の調整は、電源の機能によって異なります。アンテナへ直接、またはSMA/u.FL同軸回線へ直接配線しますか？RF出力をフィルタ(BAWまたはSAW フィルタのいずれか)に通すのが一般的ですが、チップパッケージのBAWおよびSAWフィルタは、一部のRF 電源で使用される高RF電力を常に容認できるわけではないため、コンポーネントの選択に注意してください。

RF出力ネットに必要なその他のコンポーネントの1つに、反射がアンプに戻らないようにするアイソレータ/サーキュレータがあります。出力に使用できるSMDアイソレータがいくつかあります。 RF経由で電源を実装したり、RF出力をアンテナに直接送電したりする場合は、特に重要です。

外部 RFモジュールを介して信号を配線する必要がある場合は、 SMD u.FLまたはSMAコネクタを配置してこれらの接続を行うことができます。基板上の同等のSMD/スルーホールコンポーネントの許容値を電力レベルが超えた場合、基板から信号を取り出し、モジュール経由で、必要に応じて基板に戻すことができます。

まとめ

RF電源アンプおよび電源のデザインは、一般的にディスクリートフィルターエレメントから構築されていますが、新しいコンポーネントでは、フォームファクタに非常に積極的に対応し、これらのエレメントの多くを 1 つの基板に統合することができます。また、もちろん、スタックアップについてファブリケータに相談して、ハイブリッド基板として製造可能であることを確認してください。また、 RF伝送線路のインピーダンスが通常の50オーム値であることを確認するために、伝送線路のデザインの銅箔の粗さと誘電分散を考慮する必要があります。

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