Thiết kế Bộ Chuyển Đổi Buck Đa Pha cho Nguồn Cung Cấp Điện RF

Có vẻ như chỉ mới hôm qua chúng ta đang bàn luận về việc triển khai 5G trong tương lai, và giờ đây các mạng 5G ban đầu đã bắt đầu xuất hiện tại Mỹ, Trung Quốc và Hàn Quốc. Hệ thống 5G đang thay đổi cách các nhà thiết kế tiếp cận với trạm gốc và thiết bị phát sóng, cũng như điện thoại di động, ô tô, bộ lặp sóng, và sản phẩm IoT. Sự mở rộng thêm trong việc triển khai 5G không thể xảy ra mà không có sự đổi mới lớn hơn trong trạm gốc và sự mở rộng của thiết bị phát sóng đến các tế bào nhỏ, địa phương hóa để dịch vụ có thể được cung cấp cho người dùng.

Trong số các thiết bị trạm gốc bạn sẽ tìm thấy ngoài trời, nguồn cung cấp điện RF và bộ khuếch đại đóng một vai trò trung tâm trong việc truyền tín hiệu, và nguồn cung cấp điện RF phải được thiết kế để hỗ trợ tín hiệu trong các hệ thống này với hiệu suất cao. Thật không may, thế hệ trước của các sản phẩm MOSFET công suất Si, SiC, và GaAs nói chung không thể tản nhiệt đủ xa khỏi các thiết bị hoạt động để các thiết bị có thể giữ mát. Chúng ta đã thấy một biến thể của vấn đề nhiệt này vào mùa hè năm 2019, khi các modem 5G trong điện thoại thông minh mới bị tắt do quá nhiệt. Một vấn đề tương tự xảy ra ở các trạm gốc.

Thông thường, bạn cần sử dụng các linh kiện như tản nhiệt hoặc quạt để giữ cho các giai đoạn khuếch đại công suất mát mẻ khi chúng phát ra nhiệt trong quá trình hoạt động, đặc biệt là khi chúng được cung cấp điện bằng nguồn DC. Hệ thống truyền dẫn RF cần dành nhiều không gian cho tản nhiệt, vỏ máy cồng kềnh, quạt và các thiết bị làm mát khác. Để có được một dấu chân nguồn cung cấp công suất RF nhỏ hơn với hiệu suất cao hơn đòi hỏi một số bước đơn giản nhưng quan trọng:

• Sử dụng các thiết bị bán dẫn mới như GaN FETs trên SiC
• Sử dụng các cấu trúc điều chỉnh thay thế cho nguồn cung cấp điện và bộ khuếch đại, chẳng hạn như bộ chuyển đổi buck đa pha với theo dõi bao

Trong bài viết này, chúng ta sẽ chủ yếu xem xét điểm thứ hai, đặc biệt là một cấu trúc điều chỉnh cho phép hiệu suất chuyển đổi công suất cao hơn trong nguồn cung cấp điện và bộ khuếch đại RF: một bộ chuyển đổi buck đa pha. Khi chúng ta đi qua thiết kế này, tôi sẽ trình bày một ví dụ sử dụng GaN MOSFETs làm phần tử chuyển mạch trong bộ chuyển đổi này, và cách loại bộ chuyển đổi này được tích hợp vào nguồn cung cấp điện cho hệ thống RF. Loại thiết kế nguồn cung cấp điện này nhằm mục đích cung cấp điện ổn định cho các bộ phát RF với tín hiệu điều chế tần số.

Nguồn Cung Cấp Điện Theo Dõi Bao

Một cách ưa chuộng để cung cấp điện DC cho các bộ khuếch đại công suất RF là sử dụng nguồn cung cấp điện theo dõi biên độ. Tôi sẽ không đi vào chi tiết cách thiết kế loại nguồn cung cấp điện này, và tôi sẽ để lại điều đó cho một bài viết khác. Lợi ích lớn nhất của việc sử dụng theo dõi biên độ là giảm bớt sự phân tán nhiệt trong quá trình hoạt động. Một nguồn cung cấp điện theo dõi biên độ theo dõi biên độ tín hiệu được điều chế chồng lên mà được rút qua bộ khuếch đại. Như vậy, công suất cung cấp cho bộ khuếch đại tăng hoặc giảm đúng vào thời điểm như tín hiệu đầu vào, vì vậy ít công suất hơn sẽ được phân tán dưới dạng nhiệt khi FET bên trong đang gần trạng thái TẮT.

Các hệ thống này thường có tỷ lệ công suất đỉnh so với công suất trung bình (PAPR) cao hơn so với các hệ thống công suất tương đương không sử dụng theo dõi biên độ. Nhiều loại nguồn cung cấp điện theo dõi biên độ đã được sử dụng trong các bộ khuếch đại tuyến tính, bộ chuyển đổi chuyển mạch và bộ chuyển đổi với chuyển mạch hỗ trợ tuyến tính. Mục tiêu trong việc giảm điện năng mất dưới dạng nhiệt trong bộ khuếch đại là để đảm bảo hiệu suất cao. Theo dõi biên độ băng thông cao được thực hiện trong một nguồn cung cấp điện RF đòi hỏi quy định chính xác với tiếng ồn thấp. Điều này trái ngược với các hệ thống số, nơi mà tiếng ồn chuyển mạch ít quan trọng hơn so với biến động trên bus điện.

Đối với ứng dụng này trong nguồn cung cấp điện RF theo dõi bao, chúng tôi ưu tiên sử dụng bộ chuyển đổi buck nhiều pha. Loại bộ chuyển đổi buck này sử dụng nhiều giai đoạn lái có độ trễ pha được thực thi để điều khiển một bố cục LC tiêu chuẩn mà bạn sẽ tìm thấy trong mạch bộ chuyển đổi buck tiêu chuẩn. Chúng tôi muốn sử dụng loại bộ chuyển đổi buck này vì ba lý do:

1. Bằng cách hoạt động ở chu kỳ làm việc thấp và bằng cách thiết lập một mối quan hệ pha xác định, dòng điện trong cuộn cảm đầu ra sẽ thấy tần số chuyển mạch cao hơn, điều này có lợi cho độ ồn thấp.
2. Do #1, việc lái ở tần số chuyển mạch kết hợp cao hơn cho phép bạn sử dụng cuộn cảm có kích thước vật lý nhỏ hơn nếu mong muốn.
3. Mặc dù tần số chuyển mạch tương đương lái cuộn cảm đầu ra sẽ cao, bạn vẫn có thể lái các giai đoạn chuyển mạch riêng lẻ ở tần số thấp hơn.
4. Với một cuộn cảm thích hợp hoặc trình điều khiển trễ pha, chuyển mạch không điện áp (ZVS) có thể được thực hiện, giảm thêm tổn thất trong quá trình chuyển mạch mềm.

Thiết kế Bộ Chuyển Đổi Buck Nhiều Pha

Sơ đồ khối dưới đây cho thấy, ở mức độ cao, khái niệm thiết kế cơ bản và cấu trúc của một bộ chuyển đổi năng lượng đa pha. Điều khiển pha được thực hiện trên nhiều giai đoạn chuyển mạch, tất cả đều được đặt song song. Sau đó, chúng chia sẻ một bus đầu ra, nơi đầu ra được truyền qua một bộ lọc thông thấp để giảm nhiễu.

Hình ảnh dưới đây cho thấy một sơ đồ mẫu ví dụ cho một trong những phần chuyển mạch trong bộ chuyển đổi đa pha. Giai đoạn chuyển mạch là phần phức tạp nhất của các hệ thống này. Đầu ra từ mỗi phần (từ L1 trong mỗi phần) được kết nối song song với một bus dài, tất cả đều hội tụ tại cổng đầu ra kết nối với bộ lọc đầu ra. Một bộ lọc pi là một lựa chọn xuất sắc để thực hiện theo dõi bao động thụ động, thực hiện các chức năng giống như trong một bộ chuyển đổi buck tiêu chuẩn (một pha) (bộ lọc chế độ chênh lệch thông thấp).

Thiết kế này có thể được chạy ở tần số chuyển mạch khoảng ~100 MHz với ZVS miễn là sử dụng đúng trình điều khiển PWM tần số cao. Bộ lọc đầu ra cấp 4 được hiển thị ở trên cung cấp khả năng theo dõi biên độ trong băng thông yêu cầu. Sơ đồ thời gian dưới đây cho thấy cách kiểm soát điện áp được thực hiện trên tụ điện bay phía cao (V_Ca) ở mức đầu ra nằm trong khoảng từ V_in/2 đến V_in cho 0.5 < D < 1.0. Dòng điện tổng đầu ra vẫn chứa một số dao động, nhưng với tần số gấp 4 lần so với tần số chuyển mạch trên các MOSFET phía cao và thấp.

Tụ điện bay (C_a và C_b) đóng vai trò quan trọng ở đây và có chức năng giống như trong một bộ chuyển đổi buck đơn pha điển hình: để sạc và xả định kỳ khi mảng MOSFET chuyển mạch, do đó cung cấp năng lượng qua các cuộn cảm đầu ra. Tôi muốn chỉ ra một kết luận quan trọng bạn có thể rút ra từ biểu đồ trên mà có thể trước đây không rõ ràng:

Một bộ chuyển đổi đa pha hoạt động giống như một bộ chuyển đổi một pha được điều khiển ở tần số N lần, hoặc với độ tự cảm đầu ra N lần.

Đây là lợi thế cốt lõi của một bộ chuyển đổi chuyển mạch. Kết hợp với theo dõi biên độ và một số GaN FET có điện trở R_ON thấp, công suất rút từ nguồn cấp này bởi một bộ khuếch đại sẽ có ít nhiễu hơn nhưng với kích thước nhỏ gọn hơn và yêu cầu làm mát nhẹ nhàng hơn. Bây giờ, chúng ta cần chọn một số GaN FET và cuộn cảm đầu ra cho mỗi pha.

Lựa chọn Cuộn Cảm

Để triển khai loại hệ thống này, nhiệm vụ tiếp theo là chọn FET và cuộn cảm (được đánh dấu là L1 ở cả hai bên cao và thấp) được sử dụng trong thiết kế. Những cuộn cảm này quan trọng cho việc điều khiển ZVS khi các giá trị điện áp dòng-drain trong các transistor được chuyển đổi bởi bộ điều khiển. Trong loại ứng dụng này, GaN FET và MMIC được ưa chuộng sử dụng làm các yếu tố chuyển mạch trong hệ thống điện vì chúng có giá trị R_ON thấp và độ dẫn nhiệt cao, giúp tản nhiệt vào tấm PCB hoặc sang một bộ tản nhiệt gần đó.

Mặc dù có thể không rõ ràng, cuộn cảm trong hệ thống này cần được chọn kích thước phù hợp để đạt được ZVS. Điều kiện chuyển mạch này được đạt được bằng cách chọn giá trị phù hợp của L1 sao cho dòng điện dao động cực đại-cực tiểu lớn hơn gấp đôi giá trị dòng điện trung bình. Thông thường, để thực hiện ZVS, bạn sẽ cần sử dụng một mạch điều khiển phức tạp, nơi dòng điện đầu ra sẽ được giới hạn động giữa các chu kỳ ZVS.

Tiếp theo, chúng ta đến với cuộn cảm L1, nên được thiết kế để phù hợp với phạm vi chu kỳ làm việc mong muốn. Đối với bộ chuyển đổi ba mức N-phần, giá trị tối đa của L1 cần thiết để đạt được ZVS trong các công tắc bên cao Q1 và Q2 với điện trở tải R_L, chu kỳ làm việc D, và tần số chuyển mạch tương đương f_s,eq là:

Chu kỳ làm việc trong các bộ chuyển đổi này có thể thay đổi từ thấp như 0.1 đến 0.9; L1 nên được xác định ở giá trị tối đa hoặc tối thiểu của D. Bộ chuyển đổi này sẽ được kết nối với đầu vào bộ khuếch đại công suất, sẽ giảm xuống trở kháng thấp khi bộ khuếch đại nhận tín hiệu điều khiển.

Cuối cùng, thuật ngữ f trong phương trình trên (tần số tương đương) được hiển thị dưới đây. Lưu ý rằng, với N = 2, chúng ta nhận được gấp bốn lần tần số lái, giống như chúng ta mong đợi từ các biểu đồ trên.

Lựa chọn FET

Đối với các thiết kế tần số cao, như ví dụ ở đây cho 4G LTE và các tần số hoạt động cao hơn, hệ thống điện cần phải vượt qua Si power MOSFETs. GaN FETs là thiết bị lý tưởng vào thời điểm này vì chúng có tổn thất trạng thái ON thấp hơn ở các tần số cao hơn nơi Si sẽ không thể sử dụng được. Các đối thủ cạnh tranh gần nhất là GaAs và SiGe, nhưng những nền tảng vật liệu này vẫn kém hiệu suất ở các tần số mmWave nơi cần có sự chuyển đổi năng lượng hiệu quả cao.

Có một số lý do bạn muốn có thứ gì đó vượt qua Si MOSFETs cho loại nguồn cung cấp điện RF này:

• Điện dung cổng thấp
• Độ di động cao trong lớp đảo ngược so với lớp khối
• Giới hạn nhiệt độ thiết bị cao hơn
• Trường đột phá cao hơn
• Độ dẫn nhiệt cao hơn
• Điện dung thấp hơn
• Độ bão hòa sâu hơn khi lái

Hãy xem một số kết quả tìm kiếm Octopart để thấy một số linh kiện ví dụ. Sau khi bạn đã chọn FETs của mình, bạn có thể xem một mô phỏng với tín hiệu lái tùy ý để xác định hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết kế bộ điều chỉnh này. Bạn có thể làm điều này với một mô phỏng SPICE miễn là có một mô hình thực cho các FET chuyển mạch của bạn. Tại đây, bạn sẽ muốn so sánh công suất đầu ra trung bình theo thời gian (sử dụng điện áp đầu ra Vo) cung cấp cho tải so với điện áp qua tụ điện bay cho các chu kỳ công việc khác nhau.

Một thách thức lớn khác trong mạch ở đây là việc kết nối các mảng FET theo dãy. Tôi đã thảo luận về các mảng MOSFET song song trong quá khứ, chúng được biết đến với việc sẽ dao động nếu không được nối với một chút điện trở trong đầu ra của mảng. Các FET nối tiếp thực sự khó xử lý hơn trong các hệ thống điện, đặc biệt khi có điện áp đầu vào cao vào phần chuyển mạch. Trong một sắp xếp nối tiếp, mục tiêu là đảm bảo điện áp được phân phối đều khắp thiết kế, điều này khá khó khăn vì điện trở nối là không tuyến tính, tùy thuộc vào điện áp cổng. Nói chung, FET đầu tiên trong mảng nối tiếp sẽ tiêu hao nhiều điện áp nhất, vì vậy nó sẽ hỏng trước. Tôi sẽ xem xét vấn đề này kỹ hơn trong một bài viết sắp tới vì đây là một vấn đề thú vị, nhưng cấu trúc của các bộ đệm CMOS cho thấy đây là một vấn đề cơ bản trong thiết kế mạch tích hợp.

Mẹo Bố Trí cho Các Bộ Chuyển Đổi Buck Đa Pha

Điểm cần suy nghĩ trong bố trí của bạn là cách ly, tản nhiệt từ các mảng FET của bạn, và phân phối đều sự sụt giảm điện áp qua các FET trong mảng của bạn như đã đề cập ở trên.

• Cách ly: Bố trí bảng mạch với việc đấu dây chặt chẽ để đảm bảo độ tự cảm thấp là bước đầu tiên trong việc ngăn chặn EMI và tiếng ồn quá mức nhận được từ phía hạ lưu trong thiết kế. Một mặt đất gần giúp đảm bảo đấu dây độ tự cảm thấp và cung cấp một số sự che chắn.
• Đặt vị trí: Xét đến sự sắp xếp theo chuỗi của các FET và nhu cầu đặt các bộ điều khiển PWM gần đó, tôi sẽ đặt mọi thứ theo một sắp xếp tuyến tính để đảm bảo công suất RF kéo từ thiết kế không gây nhiễu trở lại phía đầu vào của thiết kế.
• Tản nhiệt: Các FET tiên tiến bạn cần trong một nguồn cung cấp công suất RF tỏa ra rất nhiều nhiệt, và nhiệt độ đó cần được thoát ra nơi nào đó. Một mặt phẳng gần là một lựa chọn tốt vì nhiệt có thể sau đó dẫn đi từ các FET. Một vật liệu giao diện nhiệt giữa bảng mạch và vỏ cũng sẽ giúp loại bỏ bất kỳ nhiệt nào được tạo ra trong nguồn cung cấp.

Nếu bạn đang tìm kiếm bộ công cụ thiết kế mạch và bố trí PCB tốt nhất cho điện tử hiện đại, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer^®. Khi bạn cần đánh giá tính toàn vẹn nguồn và EMI trong thiết kế của mình, người dùng Altium Designer có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập thiết kế của họ vào các bộ giải Ansys và thực hiện một loạt các mô phỏng SI/PI. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.