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作者：宜普電源轉(zhuǎn)換公司產(chǎn)品應(yīng)用副總裁Johan Strydom博士 應(yīng)用于射頻(RF)放大器的包絡(luò)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(xiàn)更大輸出功率，使用包絡(luò)跟蹤來改善射頻功放(PA)系統(tǒng)的效率逐漸成為了研發(fā)的重要議題。包絡(luò)跟蹤能否提高效率關(guān)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(diào)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(chǎn)生所要求的快速變化、帶寬處于數(shù)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(xiàn)。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(zhuǎn)換器，其中降壓轉(zhuǎn)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(xiàn)方法，如使用升壓轉(zhuǎn)換器或S類放大器。無論使用哪一個方法，氮化鎵技術(shù)可以推動包絡(luò)跟蹤轉(zhuǎn)換器和寬帶RFPA設(shè)計。 實現(xiàn)多相降壓轉(zhuǎn)換器通常要求開關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器開關(guān)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(yīng)晶體管并配合LM5113半橋驅(qū)動器可容易地實現(xiàn)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(luò)跟蹤工作時的比較。
圖2：在射頻功率放大器作包絡(luò)跟蹤供電時，實現(xiàn)線性輔助開關(guān)。 實驗裝置 要實現(xiàn)包絡(luò)跟蹤需要高PAPR比，這也意味著平均輸出電壓通常在降壓轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)降壓轉(zhuǎn)換器來確定多相包絡(luò)跟蹤降壓轉(zhuǎn)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(shù)都是完全相同的。 表1列出了該實驗裝置的規(guī)格，而圖3以圖像展示該設(shè)置。這些規(guī)格代表基于高壓LDMOS的數(shù)字視頻廣播(DVB)發(fā)射機所使用的大功率包絡(luò)跟蹤降壓開關(guān)的要求，例如包絡(luò)跟蹤專家Nujira所使用的規(guī)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(nèi)部的傳導(dǎo)損耗。 本文所載的是從標準PC9002或EPC9006開發(fā)板出發(fā)所得出的結(jié)果。選擇這些開發(fā)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(yīng)的工作頻率。為了改善標準開發(fā)板的熱性能表現(xiàn)，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(shù)據(jù)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(yīng)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(diào)整到剛好覆蓋氮化鎵場效應(yīng)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(guān)開發(fā)板的底部，形成輸出連接。為gating信號提供使用HP8012B脈沖發(fā)生器的開環(huán)。接著增加有源負載，然后在零至滿載范圍內(nèi)進行掃描。效率可以使用開發(fā)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(diào)整輸入電壓和占空比。 表1：給包絡(luò)跟蹤應(yīng)用的實驗性高頻降壓轉(zhuǎn)換器規(guī)格。
電感損耗 兩個轉(zhuǎn)換器的效率結(jié)果如圖5所示，這包括兩個案例中約為100 mW的驅(qū)動器損耗。EPC9002 開發(fā)板的初始熱性能結(jié)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(dǎo)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℃�？梢酝ㄟ^計算滿載功率損失、PCB溫度和估計元件損耗來估計結(jié)溫和熱功率流。熱性能圖像和等效熱網(wǎng)絡(luò)圖見圖7、圖8。
圖3：修改后的EPC9006和EPC9002開發(fā)板實驗裝置圖。
圖4：實驗板展示，標準及修改后的EPC9002/6開發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)板所估計熱性能的圖行。 總結(jié) 以上的結(jié)果并沒有經(jīng)過優(yōu)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(shè)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(cè)器件體積來降低峰值器件溫度，從而減少高側(cè)QOSS損耗。 但是，結(jié)果展示為高功率包絡(luò)跟蹤應(yīng)用構(gòu)建一個使用氮化鎵場效應(yīng)晶體管降壓轉(zhuǎn)換器(如基站)是可行的。實際的功率電平和相位數(shù)要求取決于具體應(yīng)用的功率電平和帶寬要求。1MHz時可以實現(xiàn)97%以上的效率，4MHz時可以實現(xiàn)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 |
