Projektowanie przetwornicy typu Multiphase Buck dla zasilacza mocy RF

Wygląda na to, że jeszcze wczoraj rozmawialiśmy o przyszłych wdrożeniach 5G, a teraz początkowe sieci 5G już ożywają w USA, Chinach i Korei Południowej. Systemy 5G zmieniają sposób, w jaki projektanci podchodzą do stacji bazowych i sprzętu nadawczego, jak również do telefonów komórkowych, samochodów, przekaźników i produktów IoT. Dalsza ekspansja wdrażania 5G nie może się odbyć bez większych innowacji w stacjach bazowych i rozbudowy sprzętu nadawczego do małych, lokalizowanych komórek, aby usługi mogły być dostarczane użytkownikom.

Wśród zestawu sprzętu stacji bazowej, który znajdziesz w terenie, zasilacze i wzmacniacze RF odgrywają kluczową rolę w transmisji sygnału, a zasilacze RF muszą być zaprojektowane tak, aby wspierać sygnalizację w tych systemach z wysoką efektywnością. Niestety, wcześniejsza generacja produktów MOSFET z Si, SiC i GaAs ogólnie nie jest w stanie odprowadzić wystarczającej ilości ciepła od aktywnych urządzeń, aby urządzenia mogły pozostać chłodne. Widzieliśmy wariant tego problemu z przegrzewaniem się latem 2019 roku, kiedy modemy 5G w nowych smartfonach wyłączały się z powodu przegrzewania. Podobny problem występuje w stacjach bazowych.

Zazwyczaj, aby utrzymać chłodzenie stopni wzmacniaczy mocy, które generują ciepło podczas pracy, zwłaszcza gdy są zasilane z zasilania stałoprądowego, potrzebne są komponenty takie jak radiatory czy wentylatory. Systemy nadawcze RF muszą przeznaczać dużo miejsca na radiatory, masywne obudowy, wentylatory i inne urządzenia chłodzące. Osiągnięcie mniejszego śladu zasilacza mocy RF przy wyższej efektywności wymaga kilku prostych, ale ważnych kroków:

• Używanie nowszych urządzeń półprzewodnikowych, takich jak tranzystory GaN na SiC
• Wykorzystanie alternatywnych topologii regulatorów dla zasilaczy i wzmacniaczy, takich jak wielofazowe przetwornice typu buck z śledzeniem obwiedni

W tym artykule skupimy się głównie na drugim punkcie, szczególnie na jednej topologii regulatora, która umożliwia wyższą efektywność przekształcenia mocy w zasilaczach i wzmacniaczach RF: wielofazowa przetwornica typu buck. Przeanalizujemy ten projekt, pokazując przykład użycia tranzystorów GaN MOSFET jako elementu przełączającego w tej przetwornicy, oraz jak ten typ przetwornicy jest integrowany z zasilaczem dla systemów RF. Ten typ projektu zasilacza ma na celu dostarczenie stabilnej mocy do emiterów RF z sygnałami modulacji częstotliwości.

Zasilacze z śledzeniem obwiedni

Preferowanym sposobem dostarczania mocy stałoprądowej do wzmacniaczy mocy RF jest użycie zasilacza z śledzeniem obwiedni. Nie będę zagłębiał się w szczegóły projektowania tego konkretnego typu zasilacza, zostawię to na inny artykuł. Główną zaletą użycia śledzenia obwiedni jest mniejsza dysypacja ciepła podczas pracy. Zasilacz z śledzeniem obwiedni śledzi nakładaną obwiednię amplitudy modulowanego sygnału, który jest pobierany przez wzmacniacz. W ten sposób moc dostarczana do wzmacniacza wzrasta lub spada w tych samych momentach co sygnał wejściowy, więc mniej mocy będzie rozpraszane w postaci ciepła, gdy wewnętrzny tranzystor FET zbliża się do swojego stanu WYŁ.

Systemy te mają tendencję do posiadania wyższego stosunku mocy szczytowej do średniej (PAPR) niż porównywalne systemy zasilające, które nie używają śledzenia obwiedni. Wiele typów zasilaczy z śledzeniem obwiedni zostało użytych w wzmacniaczach liniowych, przetwornicach przełączających oraz przetwornicach z liniowo wspomaganym przełączaniem. Celem zmniejszenia mocy traconej jako ciepło w wzmacniaczu jest zapewnienie wysokiej efektywności. Szerokopasmowe śledzenie obwiedni zaimplementowane w zasilaczu mocy RF wymaga precyzyjnej regulacji z niskim poziomem szumów. Przeciwieństwem są systemy cyfrowe, gdzie szumy przełączania są znacznie mniej ważne niż przejściowe na magistrali zasilającej.

W przypadku tej aplikacji w zasilaczach RF z modulacją obwiedni, preferowalibyśmy przetwornicę typu multiphase buck. Ten typ przetwornicy wykorzystuje wiele stopni napędowych, które mają wymuszone opóźnienie fazy, aby napędzać standardową konfigurację LC, którą znajdziesz w standardowym obwodzie przetwornicy buck. Chcielibyśmy użyć tego typu przetwornicy z trzech powodów:

1. Działając przy niskim współczynniku wypełnienia i ustawiając określoną relację fazową, prąd w dławiku wyjściowym będzie widział wyższą częstotliwość przełączania, co jest korzystne dla niskiego szumu.
2. Z powodu punktu #1, napędzanie przy wyższej łącznej częstotliwości przełączania pozwala na użycie fizycznie mniejszego dławika, jeśli jest to pożądane.
3. Chociaż równoważna częstotliwość przełączania, która napędza dławik wyjściowy, będzie wysoka, nadal możesz napędzać poszczególne stopnie przełączania przy niższych częstotliwościach.
4. Przy odpowiednim dławiku lub sterowniku z opóźnioną fazą, można zaimplementować przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS), dalej redukując straty podczas miękkiego przełączania.

Projektowanie przetwornicy multiphase buck

Poniższy schemat blokowy pokazuje, na wysokim poziomie, podstawową koncepcję projektu i topologię przetwornicy wielofazowej. Kontrola fazy jest implementowana na wielu etapach przełączania, wszystkie umieszczone są równolegle. Następnie dzielą one wspólną magistralę wyjściową, gdzie sygnał wyjściowy jest przepuszczany przez filtr dolnoprzepustowy w celu redukcji tętnień.

Obraz poniżej pokazuje przykładowy schemat dla jednej z sekcji przełączających w przetwornicy wielofazowej. Etap przełączania jest najbardziej złożoną częścią tych systemów. Wyjście z każdej sekcji (od L1 w każdej sekcji) łączy się równolegle z długą magistralą, wszystkie konwergują na porcie wyjściowym łączącym się z filtrem wyjściowym. Filtr pi jest doskonałym wyborem do implementacji pasywnego śledzenia obwiedni, które wykonuje te same funkcje co w standardowej (jednofazowej) przetwornicy typu buck (filtr dolnoprzepustowy różnicowy).

Ten projekt może być teoretycznie uruchomiony przy częstotliwościach przełączania około 100 MHz z ZVS, pod warunkiem użycia odpowiedniego sterownika PWM wysokiej częstotliwości. Filtr wyjściowy 4. rzędu pokazany powyżej zapewnia śledzenie obwiedni w wymaganym paśmie przenoszenia. Poniższy diagram czasowy pokazuje, jak jest implementowana kontrola napięcia na kondensatorze latającym po stronie wysokiej (V_Ca) przy poziomie wyjściowym w zakresie od V_in/2 do V_in dla 0,5 < D < 1,0. Całkowity prąd wyjściowy nadal zawiera pewne tętnienia, ale przy częstotliwości 4 razy większej w porównaniu do częstotliwości przełączania na tranzystorach MOSFET wysokiej i niskiej strony.

Kondensatory latające (C_a i C_b) odgrywają tutaj ważne role i mają taką samą funkcję jak w typowym przetworniku obniżającym jednofazowym: okresowe ładowanie i rozładowywanie podczas przełączania tablicy MOSFET, co pozwala na dostarczanie mocy przez cewki wyjściowe. Chciałbym wskazać jeden ważny wniosek, który można wyciągnąć z powyższego wykresu, a który może nie był oczywisty wcześniej:

Przetwornik wielofazowy zachowuje się jak przetwornik jednofazowy sterowany z częstotliwością N-krotnie większą, lub z N-krotnie większą indukcyjnością wyjściową.

To jest Twoja kluczowa zaleta przetwornika przełączającego. Połączone z śledzeniem obwiedni i zastosowaniem niskich R_ON tranzystorów GaN FET, pobór mocy przez wzmacniacz z tego źródła będzie miał znacznie mniej szumów, ale przy mniejszym rozmiarze i mniejszych wymaganiach chłodzenia. Teraz musimy wybrać niektóre tranzystory GaN FET i dławiki wyjściowe dla każdej fazy.

Wybór dławika

Aby zaimplementować ten typ systemu, kolejnym zadaniem jest wybór FETów i dławików (oznaczonych L1 po stronie wysokiej i niskiej) używanych w projekcie. Te dławiki są ważne do sterowania ZVS, gdy wartości napięcia dren-źródło w tranzystorach są przełączane przez sterownik. W tego typu zastosowaniach tranzystory GaN FET i MMIC są najbardziej preferowane jako elementy przełączające w systemach zasilania ze względu na ich niskie wartości R_ON i wysoką przewodność cieplną, która odprowadza ciepło do podłoża PCB lub do pobliskiego radiatora.

Chociaż może to nie być oczywiste, induktor w tym systemie musi być odpowiednio dobrany, aby osiągnąć ZVS. Ten warunek przełączania jest osiągany przez wybranie odpowiedniej wartości L1 tak, aby prąd pulsacyjny był więcej niż dwa razy większy niż wartość prądu średniego. Zazwyczaj, aby zaimplementować ZVS, potrzebny byłby skomplikowany układ sterowania, gdzie prąd wyjściowy byłby dynamicznie ograniczany między cyklami ZVS.

Następnie przechodzimy do induktora L1, który powinien być zaprojektowany tak, aby pomieścić pożądany zakres cyklu pracy. Dla konwertera trójpoziomowego N-fazowego, maksymalna wartość L1 wymagana do osiągnięcia ZVS w górnych przełącznikach Q1 i Q2 przy oporności obciążenia R_L, cyklu pracy D i równoważnej częstotliwości przełączania f_s,eq wynosi:

Cykl pracy w tych konwerterach może wynosić od 0,1 do 0,9; L1 powinno być określone przy maksymalnej lub minimalnej wartości D. Ten konwerter zostanie podłączony do wejścia wzmacniacza mocy, które spadnie do niskiej impedancji, gdy wzmacniacz otrzyma sygnał sterujący.

W końcu, wyraz f w powyższym równaniu (odpowiednik częstotliwości) jest pokazany poniżej. Zauważ, że dla N = 2, otrzymujemy poczwórnie zwiększoną częstotliwość napędową, dokładnie jak można się było spodziewać na podstawie powyższych wykresów.

Wybór tranzystora FET

Dla projektów wysokich częstotliwości, takich jak przykład tutaj dla 4G LTE i wyższych częstotliwości pracy, systemy zasilania muszą wyjść poza Si tranzystory MOSFET. Tranzystory GaN FET są w tym momencie idealnym urządzeniem, ponieważ mają niższe straty w stanie ON przy wyższych częstotliwościach, gdzie Si byłoby nieprzydatne. Najbliższymi odpowiednikami są GaAs i SiGe, ale te platformy materiałowe nadal nie dorównują na częstotliwościach mmWave, gdzie potrzebna jest wysoka efektywność przekształcenia mocy.

Istnieje kilka powodów, dla których chcesz czegoś więcej niż Si MOSFETy dla tego typu zasilania RF:

• Niższa pojemność bramki
• Wyższa mobilność w warstwie inwersyjnej w porównaniu do warstwy masowej
• Wyższe temperaturowe limity urządzenia
• Wyższe pole przebicia
• Wyższa przewodność cieplna
• Niższa pojemność
• Głębsze nasycenie podczas sterowania

Zobacz kilka wyników wyszukiwania na Octopart, aby zobaczyć przykładowe komponenty. Po wybraniu swoich tranzystorów FET, możesz przeprowadzić symulację z dowolnym sygnałem sterującym, aby określić efektywność przetwarzania mocy tej konstrukcji regulatora. Możesz to zrobić za pomocą symulacji SPICE, pod warunkiem że dostępny jest realny model twoich przełączających tranzystorów FET. Tutaj będziesz chciał porównać średnią moc wyjściową (używając napięcia wyjściowego Vo) dostarczaną do obciążenia z napięciem na kondensatorze latającym dla różnych cykli pracy.

Kolejnym poważnym wyzwaniem w obwodzie jest połączenie szeregowe tablic tranzystorów FET. W przeszłości omawiałem równoległe tablice tranzystorów MOSFET, które są znane z oscylacji, jeśli nie są połączone z odrobiną rezystancji na wyjściu tablicy. Tranzystory FET połączone szeregowo są faktycznie trudniejsze do obsługi w systemach zasilania, szczególnie gdy na sekcję przełączającą podawane jest wysokie napięcie wejściowe. W układzie szeregowym celem jest zapewnienie równomiernego rozkładu napięcia na całym projekcie, co jest dość trudne, ponieważ rezystancja złącza jest nieliniowa i zależy od napięcia bramki. Generalnie pierwszy tranzystor FET w szeregu rozprasza najwięcej napięcia, więc ulegnie awarii jako pierwszy. Przyjrzę się temu bliżej w nadchodzącym artykule, ponieważ jest to interesujący problem, ale struktura buforów CMOS pokazuje, że jest to fundamentalny problem w projektowaniu układów scalonych.

Wskazówki dotyczące układu dla przetwornic wielofazowych typu buck

Podstawowe punkty, o których należy pomyśleć w swoim układzie, to izolacja, odprowadzanie ciepła z tablic tranzystorów FET oraz równomierne rozprowadzanie spadku napięcia na tranzystorach FET w tablicy, jak wspomniano powyżej.

• Izolacja: Rozplanowanie płytki z ciasnym trasowaniem, aby zapewnić niską indukcyjność, jest pierwszym krokiem w zapobieganiu nadmiernemu EMI i zakłóceniom odbieranym z dalszej części projektu. Bliska płaszczyzna masy pomaga zapewnić trasowanie o niskiej indukcyjności i zapewnia pewną ochronę.
• Umieszczenie: Biorąc pod uwagę szeregowe rozmieszczenie tranzystorów FET i potrzebę umieszczenia w pobliżu kontrolerów PWM, umieściłbym wszystko w liniowym układzie, aby zapewnić, że moc RF pobrana z projektu nie sprzęga się z powrotem do strony wejściowej projektu.
• Dyssypacja ciepła: Zaawansowane tranzystory FET, których potrzebujesz w zasilaczu RF, wydzielają dużo ciepła, i to ciepło musi być odprowadzone gdzieś indziej. Bliska płaszczyzna jest dobrą opcją, ponieważ ciepło może wtedy być przewodzone z dala od tranzystorów FET. Materiał interfejsu termicznego pomiędzy płytą a obudową również pomoże usunąć wszelkie wygenerowane w zasilaczu ciepło.

Jeśli szukasz najlepszego zestawu narzędzi do projektowania obwodów i układania PCB dla nowoczesnej elektroniki, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer^®. Gdy potrzebujesz ocenić integralność mocy i EMI w swoim projekcie, użytkownicy Altium Designer mogą użyć rozszerzenia EDB Exporter do importowania swojego projektu do solverów polowych Ansys i przeprowadzenia szeregu symulacji SI/PI. Kiedy zakończysz projektowanie i chcesz wysłać pliki do swojego producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.