氮化鎵場(chǎng)效應晶體管與硅功率器件比拼之包絡(luò )跟蹤

用于射頻(RF)放大器的包絡(luò )跟蹤(ET) 并不是一個(gè)全新的概念，但隨著(zhù)我們需要移動(dòng)電話(huà)具備更長(cháng)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(shí)現更大輸出功率，使用包絡(luò )跟蹤來(lái) 改善射頻功放(PA)系統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(shí)，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(guò)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(cháng)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(mǎn)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、帶寬處于數十兆赫茲(MHz)范圍的供電電壓？我們可以通過(guò)不同的方法來(lái)實(shí)現。其中一個(gè)方法是使用如圖2所示的混合式線(xiàn)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(shí)現方法，如使用升壓轉換器或S類(lèi)放大器。無(wú) 論使用哪一個(gè)方法，氮化鎵技術(shù)可以推動(dòng)包絡(luò )跟蹤轉換器和寬帶RFPA設計。

實(shí)現多相降壓轉換器通常要求開(kāi)關(guān)頻率與所需ET帶 寬相比高出5至10倍，不過(guò)對通過(guò)混合解決方案和/或非線(xiàn)性控制來(lái)提升轉換器有效帶寬的研究表明，這種方法可以顯著(zhù)降低所需的降壓轉換器開(kāi)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(chǎng)效應晶體管并配合LM5113半橋驅動(dòng)器可容易地實(shí)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(shí)輸出功率及包絡(luò )跟蹤工作時(shí)的比較。

圖2：在射頻功率放大器作包絡(luò )跟蹤供電時(shí)，實(shí)現線(xiàn)性輔助開(kāi)關(guān)。

實(shí)驗裝置

要 實(shí)現包絡(luò )跟蹤需要高PAPR比，這也意味著(zhù)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(gè)平均值以上及以下有短暫的漂移時(shí) 間。因此，作為演示用途，可以使用具有相同占空比的穩態(tài)降壓轉換器來(lái)確定多相包絡(luò )跟蹤降壓轉換器對效率和熱性能的要求，這個(gè)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shí)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(fā)射機所使用的大功率包絡(luò )跟蹤降壓開(kāi)關(guān)的要求，例如包絡(luò )跟蹤專(zhuān)家Nujira所使用的規格。圖3展示了在滿(mǎn)功率時(shí)每個(gè)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(kāi)發(fā)板出發(fā)所得出的結果。選擇這些開(kāi)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 大小選擇相應的工作頻率。為了改善標準開(kāi)發(fā)板的熱性能表現，在氮化鎵場(chǎng)效率管上增加一個(gè)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(shí)，約為12 ℃/W。在散熱器超過(guò)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(chǎng)效應管的面積部分則使用兩層Sarcon 30x-m進(jìn)行填充。將散熱器位置調整到剛好覆蓋氮化鎵場(chǎng)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(gè)相關(guān)開(kāi)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(kāi)環(huán)。接著(zhù)增 加有源負載，然后在零至滿(mǎn)載范圍內進(jìn)行掃描。效率可以使用開(kāi)發(fā)板上的Kelvin檢測點(diǎn)和輸出電容端的附加Kelvin點(diǎn)進(jìn)行測量。在每個(gè)測量點(diǎn)調整輸入 電壓和占空比。

表1：給包絡(luò )跟蹤應用的實(shí)驗性高頻降壓轉換器規格。