采用氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)的包絡(luò)跟蹤電源 支持20 MHz LTE帶寬

宜普電源轉(zhuǎn)換公司張遠(yuǎn)哲博士及Michael de Rooij博士

張遠(yuǎn)哲博士

Michael de Rooij 博士

我們?cè)谳^早前發(fā)表的文章中為大家介紹了工作在10 MHz的硬開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器，并且展示了氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN  FET)在包絡(luò)跟蹤(ET)電源領(lǐng)域中的潛力[1]。

本篇文章將進(jìn)一步闡述面向使用第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4G)LTE頻帶的無(wú)線通信基站基礎(chǔ)設(shè)施并采用EPC8004高頻氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)的包絡(luò)跟蹤電源。包絡(luò)跟蹤電源是以多相位、采用零電壓開關(guān)模式(ZVS)的同步降壓轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，它可以支持20  MHz的大信號(hào)帶寬，并且以30 V電壓源提供60 W以上的平均負(fù)載功率。當(dāng)跟蹤峰均比(PAPR)為7 dB的20 MHz  LTE包絡(luò)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)的平均總效率可高達(dá)92%。

使用軟開關(guān)的多相位拓?fù)?/strong>

我們選用的是一個(gè)四相位同步降壓脈寬調(diào)制(PWM)拓?fù)?見圖1)。相鄰相位的PWM控制信號(hào)被相移了90度。每個(gè)相位在25  MHz下開關(guān)，使得整個(gè)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)100 MHz的輸出開關(guān)頻率。我們使用阻性負(fù)載來(lái)代表射頻功率放大器(RFPA)，同時(shí)設(shè)計(jì)了支持零電壓開關(guān)、20  MHz帶寬的四階濾波器，從而可以高效地工作和相位電流可自動(dòng)平衡[2]。印刷電路板(PCB)的布局是根據(jù)[3]的設(shè)計(jì)而得以優(yōu)化[3]。

圖1：使用四階輸出濾波器的四相同步降壓轉(zhuǎn)換器的方框圖。

具有低損耗并且高速的柵極驅(qū)動(dòng)器

設(shè)計(jì)支持在高頻開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器極具挑戰(zhàn)性，尤其是對(duì)半橋配置中的高側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)說(shuō)。專為較大電流、較低頻率的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)自舉半橋柵極驅(qū)動(dòng)器(例如LM5113[4])通常都具有很大的損耗，這是因?yàn)樽耘e二極管的反向恢復(fù)電荷所引致。這樣會(huì)限制了最高的開關(guān)頻率。為了達(dá)到25  MHz開關(guān)頻率并同時(shí)保持高效率，我們采用了同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管自舉電源[5]。

我們?cè)赱4]介紹一種在高頻率下使用LM5113驅(qū)動(dòng)器的方法，并通過合適的電路來(lái)停用其內(nèi)部自舉二極管。可是，在這種應(yīng)用中還使用了另外一種不同的方法，這種方法并沒有使用LM5113驅(qū)動(dòng)器，而是使用了數(shù)字隔離器(ISO721MD)[6]和超高速邏輯(SN74LVC2G14)  [7]，如圖2所示。為了把寄生和相關(guān)的損耗減至最小，我們選用具有最小電氣和物理占板面積的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管EPC2038作為同步自舉場(chǎng)效應(yīng)晶體管(QBTST)。低側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)器包含與高側(cè)相同的組件以具備匹配的傳播延遲特性。

圖2：針對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的單個(gè)相位并采用同步FET自舉電源的柵極驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。

測(cè)量靜態(tài)效率

我們?cè)诓煌姆€(wěn)態(tài)工作電壓對(duì)包絡(luò)跟蹤電源進(jìn)行評(píng)估。圖3顯示了在占空比范圍(輸出電壓)內(nèi)測(cè)量所得的功率級(jí)效率，以及包括柵極驅(qū)動(dòng)器損耗在內(nèi)的總效率。在大約D=0.5或15  V輸出電壓時(shí)的功率級(jí)峰值效率和總峰值效率分別大于94%和93%。由于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN FET)沒有安裝散熱器而使得散熱受限，因此我們沒有對(duì)高于17  V的不同輸出電壓測(cè)量其靜態(tài)效率。

圖3顯示了帶寬為20 MHz、 峰均比為7dB的LTE包絡(luò)信號(hào)的概率分布函數(shù)(PDF)。即使輸出電壓范圍是5 V至28 V，出現(xiàn)約9 V至15  V的電壓的可能性也相當(dāng)大。雖然如此，在整個(gè)范圍內(nèi)的功率級(jí)效率都超過90%。

圖3：測(cè)量所得的20 MHz LTE包絡(luò)信號(hào)的穩(wěn)態(tài)功率級(jí)效率和總效率，以及概率分布函數(shù)(PDF)。

測(cè)量動(dòng)態(tài)包絡(luò)跟蹤

20MHz  LTE包絡(luò)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成8個(gè)PWM信號(hào)，分別用于控制四相位中的高側(cè)和低側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這電路級(jí)還利用合適的死區(qū)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)操作。PWM信號(hào)被儲(chǔ)存在  Altera? Arria? V FPGA[8]內(nèi)，并且被發(fā)送至柵極驅(qū)動(dòng)器。脈沖寬度的分辨率大約為0.2  ns，從而可以精細(xì)地調(diào)整占空比和死區(qū)時(shí)間，使得包絡(luò)跟蹤具備高信號(hào)保真度。圖4顯示了LTE包絡(luò)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的方框圖。

圖4: 包絡(luò)跟蹤信號(hào)發(fā)生的簡(jiǎn)圖。

包絡(luò)跟蹤電源的輸出是用1 GHz差分探頭進(jìn)行測(cè)量的(TDP1000)。圖5將測(cè)量所得的輸出電壓的取樣與參考電壓進(jìn)行了比較。對(duì)應(yīng)7  dB的峰均功率比值，平均輸出功率是67 W，而峰值功率是346  W。平均功率級(jí)效率和總效率分別是93%和92%。這種方法實(shí)現(xiàn)了精確的追蹤，歸一化的均方根誤差(NRMSE)僅為1.2%，測(cè)量所得的最大電流轉(zhuǎn)換速率是180  A/μs。

圖5：包絡(luò)參考信號(hào)和測(cè)量所得的LTE包絡(luò)信號(hào)。

總結(jié)

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN  FET)和IC在開關(guān)電源(SMPS)可以實(shí)現(xiàn)非常高的開關(guān)頻率，從而在許多應(yīng)用中，如果帶寬、轉(zhuǎn)換速率和效率都是應(yīng)用所需的關(guān)鍵因素的話，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠幫助工程師在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)重大的性能突破。包絡(luò)跟蹤就是這些應(yīng)用的其中一種。

由于具有較低的輸入和輸出電容(CISS and COSS)，以及較低的柵極電荷(QG)  [9]，基于氮化鎵器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換器能夠以很高的效率工作在數(shù)十MHz的開關(guān)頻率。在諸如多相和多級(jí)別的各種拓?fù)渲?，采用氮化鎵器件設(shè)計(jì)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)高帶寬以滿足現(xiàn)代諸如4G  LTE無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的需求。

采用基于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(EPC8004)四相位軟開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的包絡(luò)跟蹤電源能夠精確地跟蹤峰均比(PAPR)為7 dB的20 MHz  LTE包絡(luò)信號(hào)，其總效率可超過92%，并可提供60  W的平均功率。此外，這種設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性能可以支持不同的功率級(jí)別，工程師只需選擇不同的EPC場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)不同系統(tǒng)以滿足不同功率級(jí)別的需求。

eGaN? 是Efficient Power Conversion Corporation宜普電源轉(zhuǎn)換公司的注冊(cè)商標(biāo)。

參考資料:

[1] A. Lidow, “WiGaN: eGaN FETs for hard-switching converters at high  frequency,” EEWeb: Wireless  RF Magazine, pp. 12–17, August 2014.

[2] Y. Zhang, M. Rodriguez, and D. Maksimovic, “Output filter design in  high-efficiency wide-bandwidth multi-phase buck envelope amplifiers,” Applied  Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 2015, pp.  2026–2032.

[3] D. Reusch and J. Glaser, DC-DC Conversion Handbook: A Supplement to GaN  Transistors for Efficient Power Conversion, Efficient Power Publications, 1st  Edition, 2015. ISBN 978-0-9966492-0-9.

[4] http://www.ti.com/product/LM5113

[5] M. A. de Rooij, Wireless Power Handbook, Second Edition, El Segundo,  October 2015, ISBN 978-0-9966492-1-6.

[6] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso721m.pdf

[7] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc2g14.pdf

[8]  https://www.altera.com/products/fpga/arria-series/arria-v/overview.html

[9] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, GaN Transistors for  Efficient Power Conversion. Second Edition, Wiley, ISBN 978-1-118-84476-2.