Projetando um Conversor Buck Multiphase para uma Fonte de Alimentação RF

Parece que foi ontem que estávamos falando sobre os futuros lançamentos do 5G, e agora as primeiras redes 5G já estão ganhando vida nos EUA, China e Coreia do Sul. Os sistemas 5G estão mudando a maneira como os projetistas abordam equipamentos de estação base e transmissores, bem como aparelhos celulares, automóveis, repetidores e produtos de IoT. A expansão futura dos lançamentos do 5G não pode acontecer sem uma maior inovação nas estações base e expansão dos equipamentos transmissores para células pequenas e localizadas, para que os serviços possam ser entregues aos usuários.

Entre o conjunto de equipamentos de estação base que você encontrará no campo, as fontes de alimentação RF e amplificadores desempenham um papel central na transmissão de sinal, e as fontes de alimentação RF devem ser projetadas para suportar a sinalização nesses sistemas com alta eficiência. Infelizmente, a geração anterior de produtos MOSFET de potência de Si, SiC e GaAs geralmente é incapaz de dissipar calor suficiente dos dispositivos ativos para que os dispositivos possam permanecer frios. Vimos uma variação desse problema de aquecimento no verão de 2019, quando os modems 5G em novos smartphones estavam desligando devido ao superaquecimento. Um problema semelhante acontece nas estações base.

Normalmente, é necessário usar componentes como dissipadores de calor ou ventiladores para manter os estágios de amplificadores de potência resfriados, pois eles geram calor durante a operação, especialmente quando são alimentados com uma fonte de alimentação DC. Sistemas transmissores de RF precisam dedicar muito espaço para dissipadores de calor, uma caixa volumosa, ventiladores e outros equipamentos de resfriamento. Chegar a uma pegada menor de fornecimento de energia RF com maior eficiência requer alguns passos simples, mas importantes:

• Usar dispositivos semicondutores mais novos como FETs de GaN em SiC
• Usar topologias reguladoras alternativas para fontes de alimentação e amplificadores, como conversores buck de múltiplas fases com rastreamento de envelope

Neste artigo, vamos olhar principalmente para o segundo ponto, particularmente uma topologia reguladora que permite maior eficiência na conversão de energia em fontes de alimentação e amplificadores RF: um conversor buck de múltiplas fases. À medida que avançamos neste design, mostrarei um exemplo que usa MOSFETs de GaN como o elemento de comutação neste conversor, e como esse tipo de conversor é integrado em uma fonte de alimentação para sistemas RF. Esse tipo de design de fonte de alimentação é destinado a fornecer energia estável para emissores de RF com sinais modulados em frequência.

Fontes de Alimentação com Rastreamento de Envelope

Uma maneira preferencial de fornecer energia DC a amplificadores de potência RF é usar uma fonte de alimentação com rastreamento de envelope. Não entrarei nos detalhes de como projetar esse tipo específico de fonte de alimentação, e deixarei isso para outro artigo. A grande vantagem de usar o rastreamento de envelope é a menor dissipação de calor durante a operação. Uma fonte de alimentação com rastreamento de envelope acompanha o envelope de amplitude sobreposto do sinal modulado que é consumido pelo amplificador. Dessa forma, a energia fornecida ao amplificador aumenta ou diminui nos mesmos instantes que o sinal de entrada, então menos energia será dissipada como calor quando o FET interno está próximo do seu estado DESLIGADO.

Esses sistemas tendem a ter uma relação de pico para potência média (PAPR) maior do que sistemas de potência comparáveis que não usam rastreamento de envelope. Vários tipos de fontes de alimentação com rastreamento de envelope têm sido usados em amplificadores lineares, conversores de comutação e conversores com comutação assistida linear. O objetivo em reduzir a energia perdida como calor no amplificador é garantir alta eficiência. O rastreamento de envelope de alta largura de banda implementado em uma fonte de alimentação RF requer regulação precisa com baixo ruído. Contraste isso com sistemas digitais, onde o ruído de comutação é muito menos importante do que transientes no barramento de energia.

Para esta aplicação em fontes de alimentação RF com rastreamento de envelope, preferiríamos um conversor buck multiphase. Esse tipo de conversor buck utiliza múltiplos estágios de acionamento que têm um atraso de fase imposto para acionar um arranjo LC padrão que você encontraria em um circuit de conversor buck padrão. Gostaríamos de usar este tipo de conversor buck por três razões:

1. Ao operar em baixo ciclo de trabalho e ao definir uma relação de fase específica, a corrente no indutor de saída verá uma frequência de comutação mais alta, o que é benéfico para baixo ruído.
2. Devido ao #1, dirigir em uma frequência de comutação combinada mais alta permite que você use um indutor fisicamente menor, se desejado.
3. Embora a frequência de comutação equivalente que aciona o indutor de saída seja alta, você ainda pode acionar estágios de comutação individuais em frequências mais baixas.
4. Com um indutor apropriado ou um driver com atraso de fase, a comutação a zero tensão (ZVS) pode ser implementada, reduzindo ainda mais as perdas durante a comutação suave.

Design de Conversor Buck Multiphase

O diagrama de blocos abaixo mostra, em um alto nível, o conceito básico de design e topologia de um conversor de potência multiphase. O controle de fase é implementado em múltiplos estágios de comutação, todos colocados em paralelo. Estes, então, compartilham um barramento de saída, onde a saída é passada por um filtro passa-baixa para reduzir o ripple.

A imagem abaixo mostra um esquemático exemplo para uma das seções de comutação em um conversor multiphase. O estágio de comutação é a parte mais complexa desses sistemas. A saída de cada seção (de L1 em cada seção) se conecta em paralelo a um longo barramento, todos convergindo na porta de saída que se conecta ao filtro de saída. Um filtro pi é uma excelente escolha para implementar o rastreamento de envelope passivo, que realiza as mesmas funções que em um conversor buck padrão (filtro de modo diferencial passa-baixa).

Este projeto poderia ser executado a frequências de comutação de ~100 MHz com ZVS, desde que o driver PWM de alta frequência correto seja utilizado. O filtro de saída de 4ª ordem mostrado acima fornece rastreamento de envelope dentro da largura de banda requerida. O diagrama de tempo abaixo mostra como o controle de tensão é implementado no capacitor voador de alta tensão (V_Ca) em um nível de saída que varia entre V_in/2 e V_in para 0,5 < D < 1,0. A corrente total de saída ainda contém alguma ondulação, mas em 4x a frequência comparada à frequência de comutação nos MOSFETs de alta e baixa tensão.

Os capacitores voadores (C_a e C_b) desempenham papéis importantes aqui e têm a mesma função que em um conversor buck monofásico típico: carregar e descarregar periodicamente quando o arranjo de MOSFETs comuta, entregando assim energia através dos indutores de saída. Gostaria de apontar uma conclusão importante que você pode tirar do gráfico acima que talvez não tenha sido óbvia anteriormente:

Um conversor multiphase comporta-se como um conversor monofásico acionado a N-vezes a frequência, ou com N-vezes a indutância de saída.

Esta é a sua principal vantagem de um conversor de comutação. Combinado com rastreamento de envelope e alguns transistores GaN FET de baixo R_ON, a potência retirada desta fonte por um amplificador terá muito menos ruído, mas com uma pegada menor e menores demandas de refrigeração. Agora, precisamos escolher alguns GaN FETs e indutores de saída para cada fase.

Seleção de Indutor

Para implementar este tipo de sistema, a próxima tarefa é selecionar os FETs e indutores (marcados como L1 nos lados alto e baixo) usados no design. Esses indutores são importantes para conduzir ZVS quando os valores de tensão dreno-fonte nos transistores são comutados pelo driver. Neste tipo de aplicação, GaN FETs e MMICs são os mais preferíveis para uso como elementos de comutação em sistemas de potência devido aos seus baixos valores de R_ON e alta condutividade térmica, que dissipa calor no substrato do PCB ou para um dissipador de calor próximo.

Embora possa não ser óbvio, o indutor neste sistema precisa ser dimensionado adequadamente para alcançar ZVS. Essa condição de comutação é alcançada selecionando o valor apropriado de L1 de tal forma que a corrente de ondulação de pico a pico seja mais do que o dobro do valor da corrente média. Normalmente, para implementar ZVS, seria necessário usar um circuito de controle complexo, onde a corrente de saída seria limitada dinamicamente entre os ciclos ZVS.

A seguir, chegamos ao indutor L1, que deve ser projetado para acomodar a faixa de ciclo de trabalho desejada. Para um conversor de três níveis e N-fase, o valor máximo de L1 necessário para alcançar ZVS nos interruptores de alta Q1 e Q2 com uma resistência de carga R_L, ciclo de trabalho D e frequência de comutação equivalente f_s,eq é:

O ciclo de trabalho nestes conversores pode variar de tão baixo quanto 0,1 até 0,9; L1 deve ser determinado no valor máximo ou mínimo de D. Este conversor será conectado à entrada do amplificador de potência, que cairá para baixa impedância quando o amplificador receber seu sinal de acionamento.

Finalmente, o termo f na equação acima (frequência equivalente) é mostrado abaixo. Note que, para N = 2, obtemos quádruplo da frequência de acionamento, exatamente como esperaríamos a partir dos gráficos acima.

Seleção de FET

Para designs de alta frequência, como o exemplo aqui para 4G LTE e frequências operacionais mais altas, os sistemas de potência precisam ir além dos MOSFETs de Si. Os FETs de GaN são o dispositivo ideal neste momento, pois têm perdas no estado ON menores em frequências mais altas onde o Si seria inutilizável. Os equivalentes mais próximos são GaAs e SiGe, mas essas plataformas de material ainda têm desempenho inferior em frequências de ondas milimétricas (mmWave) onde é necessária uma conversão de potência de alta eficiência.

Há algumas razões pelas quais você deseja algo além dos MOSFETs de Si para este tipo de fornecimento de energia RF:

• Menor capacitância de porta
• Maior mobilidade na camada de inversão vs. camada de volume
• Limites de temperatura do dispositivo mais altos
• Campos de ruptura mais altos
• Maior condutividade térmica
• Menor capacitância
• Saturação mais profunda durante a condução

Veja alguns resultados de pesquisa do Octopart para ver alguns componentes de exemplo. Depois de selecionar seus FETs, você pode olhar para uma simulação com um sinal de condução arbitrário para determinar a eficiência de conversão de energia deste projeto de regulador. Você poderia fazer isso com uma simulação SPICE desde que um modelo real para seus FETs de comutação esteja disponível. Aqui, você vai querer comparar a potência média de saída (usando a tensão de saída Vo) entregue à carga com a tensão através do capacitor voador para vários ciclos de trabalho.

Outro grande desafio de circuito aqui é conectar os arranjos de FET em série. Eu discuti arranjos de MOSFET em paralelo no passado, que são conhecidos por oscilar se não forem conectados com um pouco de resistência na saída do arranjo. FETs em série são na verdade mais difíceis de lidar em sistemas de potência, especialmente quando há uma alta tensão de entrada na seção de comutação. Em um arranjo em série, o objetivo é garantir que a tensão seja distribuída uniformemente pelo design, algo que é bastante difícil já que a resistência de junção é não linear, dependendo da tensão do portão. Em geral, o primeiro FET na série de arranjos dissipa a maior tensão, então ele falhará primeiro. Vou olhar mais para isso em um artigo futuro, pois é um problema interessante, mas a estrutura dos buffers CMOS mostra que é um problema fundamental no design de circuitos integrados.

Dicas de Layout para Conversores Buck Multiphase

Os pontos essenciais para pensar no seu layout são isolamento, dissipação de calor dos seus arranjos de FET e distribuir a queda de tensão uniformemente pelos FETs no seu arranjo, como mencionado acima.

• Isolamento: Dispor a placa com rotas apertadas para garantir baixa indutância é o primeiro passo para prevenir excesso de EMI e ruído recebido a jusante no projeto. Um plano de terra próximo ajuda a garantir roteamento de baixa indutância e fornece alguma proteção.
• Posicionamento: Dada a disposição em série dos FETs e a necessidade de colocar controladores PWM próximos, eu colocaria tudo em um arranjo linear para garantir que a potência RF retirada do projeto não acople de volta ao lado de entrada do projeto.
• Dissipação de calor: FETs avançados que você precisaria em uma fonte de alimentação RF dissipam muito calor, e esse calor precisa ser dissipado para algum lugar. Um plano próximo é uma boa opção, pois o calor pode então ser conduzido para longe dos FETs. Um material de interface térmica entre a placa e a caixa também ajudará a remover qualquer calor gerado na fonte.

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