|
作者：宜普電源轉換公司產品應用副總裁Johan Strydom博士 應用于射頻(RF)放大器的包絡跟蹤(ET)并不是一個全新的概念，但隨著我們需要移動電話具備更長的電池壽命、基站需具備更高電源效率，以及昂貴的射頻傳送器需要實現更大輸出功率，使用包絡跟蹤來改善射頻功放(PA)系統的效率逐漸成為了研發的重要議題。包絡跟蹤能否提高效率關鍵在于功放的峰值與平均功率比(PAPR)的要求。圖1展示了在使用固定的供電電壓時，功放的峰值效率可以高達65%，但由于給定的峰均比(PAPR)高達10，因此，平均效率有可能低于25%。通過調制功放的供電電壓，可改善功放平均效率達50%以上——相當于效率增長達一倍和減少功放損耗達三分之二。這樣不僅降低功耗，也降低操作成本，并滿足散熱及尺寸等各方面的要求。 但如何能夠產生所要求的快速變化、帶寬處于數十兆赫茲(MHz)范圍的供電電壓？我們可以通過不同的方法來實現。其中一個方法是使用如圖2所示的混合式線性放大器和多相降壓轉換器，其中降壓轉換器只給負載組件/系列的傅里葉大功率、低頻部分供電。我們也有討論其他實現方法，如使用升壓轉換器或S類放大器。無論使用哪一個方法，氮化鎵技術可以推動包絡跟蹤轉換器和寬帶RFPA設計。 實現多相降壓轉換器通常要求開關頻率與所需ET帶寬相比高出5至10倍，不過對通過混合解決方案和/或非線性控制來提升轉換器有效帶寬的研究表明，這種方法可以顯著降低所需的降壓轉換器開關頻率。為了達到可接受的效率和帶寬，仍然有可能要求使用大量的交織相位。本文展示氮化鎵場效應晶體管并配合LM5113半橋驅動器可容易地實現的功率及效率。 
圖1：理想功放效率與使用固定供電電壓時輸出功率及包絡跟蹤工作時的比較。
圖2：在射頻功率放大器作包絡跟蹤供電時，實現線性輔助開關。 實驗裝置 要實現包絡跟蹤需要高PAPR比，這也意味著平均輸出電壓通常在降壓轉換器供電電壓范圍的30%至50%之間，并允許在這個平均值以上及以下有短暫的漂移時間。因此，作為演示用途，可以使用具有相同占空比的穩態降壓轉換器來確定多相包絡跟蹤降壓轉換器對效率和熱性能的要求，這個可以進一步簡化為對單相評估，因為所有相數都是完全相同的。 表1列出了該實驗裝置的規格，而圖3以圖像展示該設置。這些規格代表基于高壓LDMOS的數字視頻廣播(DVB)發射機所使用的大功率包絡跟蹤降壓開關的要求，例如包絡跟蹤專家Nujira所使用的規格。圖3展示了在滿功率時每個元件的功率損耗估值，包括PCB內部的傳導損耗。 本文所載的是從標準PC9002或EPC9006開發板出發所得出的結果。選擇這些開發板是因為100V器件性能及易于使用，并基于它們相對的晶片大小選擇相應的工作頻率。為了改善標準開發板的熱性能表現，在氮化鎵場效率管上增加一個面積為15平方毫米、高為9.5毫米的翅片式散熱器。散熱器數據手冊記載的熱阻值在200 LFM時，約為12 ℃/W。在散熱器超過一半面積上使用GapPad GP 1500 (60mil厚)，將散熱器固定到電路板上，而覆蓋氮化鎵場效應管的面積部分則使用兩層Sarcon 30x-m進行填充。將散熱器位置調整到剛好覆蓋氮化鎵場效應管，以方便使用熱紅外(IR)相機測量與器件直接相鄰的PCB溫度。然后利用覆蓋有粘性銅帶的絕緣聚酰亞胺層，將輸出電感和輸出電容放置在各個相關開發板的底部，形成輸出連接。為gating信號提供使用HP8012B脈沖發生器的開環。接著增加有源負載，然后在零至滿載范圍內進行掃描。效率可以使用開發板上的Kelvin檢測點和輸出電容端的附加Kelvin點進行測量。在每個測量點調整輸入電壓和占空比。 表1：給包絡跟蹤應用的實驗性高頻降壓轉換器規格。
電感損耗 兩個轉換器的效率結果如圖5所示，這包括兩個案例中約為100 mW的驅動器損耗。EPC9002 開發板的初始熱性能結果顯示PCB過熱，這是由于所選輸出電感器的損耗進入了PCB導致的。因此，可通過提高電感器與電路板的距離來降低電路板的溫度。滿載時的峰值電感溫度可達90℃。可以通過計算滿載功率損失、PCB溫度和估計元件損耗來估計結溫和熱功率流。熱性能圖像和等效熱網絡圖見圖7、圖8。
圖3：修改后的EPC9006和EPC9002開發板實驗裝置圖。
圖4：實驗板展示，標準及修改后的EPC9002/6開發板。
圖5：EPC9006及EPC9002演示板工作在輸入電壓為45V，輸出電壓為22V時的結果。
圖6：滿載輸出時的PCB的溫度熱性能圖像。
圖7：在132 W測試條件下，使用EPC9006開發板所估計熱性能的圖形。
圖8：在330 W測試條件下，使用EPC9002開發板所估計熱性能的圖行。 總結 以上的結果并沒有經過優化，因此未來還可以再進一步改善。我們建議在效率方面有3個可改善的地方： 1）改善可選電感。 2）改善熱設計------使用更薄的熱界面材料層、更厚的PCB銅和安裝在低熱阻散熱器上的多相位方法。 3）通過減小低側器件體積來降低峰值器件溫度，從而減少高側QOSS損耗。 但是，結果展示為高功率包絡跟蹤應用構建一個使用氮化鎵場效應晶體管降壓轉換器(如基站)是可行的。實際的功率電平和相位數要求取決于具體應用的功率電平和帶寬要求。1MHz時可以實現97%以上的效率，4MHz時可以實現94%以上的效率。 References [1] Gerard Wimpenny, Understand and characterize envelope-tracking power amplifiers, http://www.eetimes.com/design/microwave-rf-design/4233749/Understand-andcharacterize- envelope-tracking-power-amplifiers# [2] Shaun Cummins , Addressing the Battlefield Communications Power Gap http://www.microwavejournal.com/articles/8348-addressing-the-battlefieldcommunications- power-gap [3] OpenET alliance, Introduction to envelope tracking, http://www.open-et.org/Intro-to-ETpa- 712.php [4] Steven Baker , Applying Envelope Tracking to High-Efficiency Power Amplifiers for Handset and Infrastructure Transmitters, Cambridge Wireless Radio SIG, 14 July 2011 http://www.cambridgewireless.co.uk/Presentation/Steven%20Baker.pdf [5] Application Report, GC5325 Envelope Tracking, http://www.eetindia.co.in/STATIC/PDF/201003/EEIOL_2010MAR18_RFD_AN_01.pdf [6] University of Colorado at Boulder course notes - ECEN5014, chapter 12, http://ecee.colorado.edu/~ecen5014/12-Envelope%20Tracking.pdf [7] Jeremy Hendy, Transmitter power efficiency, http://broadcastengineering.com/infrastructure/transmitter-power-efficiency-1109/ [8] V. Yousefzadeh, et. Al, Efficiency optimization in linear-assisted switching power converters for envelope tracking in RF power amplifiers, ISCAS 2005 [9] Nicolas Le Gallou, et. al, Over 10MHz Bandwidth Envelope-Tracking DC/DC converter for Flexible High Power GaN Amplifiers, http://www.cree.com/products/pdf/Over_10MHz_Bandwidth_Envelope-Tracking_DCDC_ converter_for_Flexible_High_Power_GaN_Amplifiers.pdf [10] Mark Norris and Dragan Maksimovic, 10 MHz Large Signal Bandwidth, 95% Efficient Power Supply for 3G-4G Cell Phone Base Stations, Applied Power Electronics Conference (APEC) 2012, Feb. 2012, Orlando, Florida. [11] National LM5113 eGaN FET half bridge driver from Texas Instruments, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5113.pdf [12] EPC9002 development board, http://epcco. com/epc/documents/guides/EPC9002_qsg.pdf [13] EPC9006 development board, http://epcco. com/epc/documents/guides/EPC9006_qsg.pdf [14] Bergquist Gappad GP 1500 thermal interface material, http://www.bergquistcompany.com/pdfs/dataSheets/PDS_GP_1500_12.08_E.pdf [15] Fujipoly Sarcon 30X-m thermal interface material, http://www.fujipoly.com/products/sarcon-thermal-management-components/88/highperformance- gap-filler/xr-m.html [16] John Worman, Thermal Performance of EPC eGaN FETs, http://epcco. com/epc/documents/producttraining/ Appnote_Thermal_Performance_of_eGaN_FETs.pdf |
