采用氮化鎵場效應晶體管設計的包絡跟蹤電源 支持20 MHz LTE帶寬

宜普電源轉換公司張遠哲博士及Michael de Rooij博士

張遠哲博士

Michael de Rooij 博士

我們在較早前發表的文章中為大家介紹了工作在10 MHz的硬開關降壓轉換器，并且展示了氮化鎵場效應晶體管(eGaN  FET)在包絡跟蹤(ET)電源領域中的潛力[1]。

本篇文章將進一步闡述面向使用第四代移動通信技術(4G)LTE頻帶的無線通信基站基礎設施并采用EPC8004高頻氮化鎵場效應晶體管設計的包絡跟蹤電源。包絡跟蹤電源是以多相位、采用零電壓開關模式(ZVS)的同步降壓轉換器為基礎，它可以支持20  MHz的大信號帶寬，并且以30 V電壓源提供60 W以上的平均負載功率。當跟蹤峰均比(PAPR)為7 dB的20 MHz  LTE包絡信號，可實現的平均總效率可高達92%。

使用軟開關的多相位拓撲

我們選用的是一個四相位同步降壓脈寬調制(PWM)拓撲(見圖1)。相鄰相位的PWM控制信號被相移了90度。每個相位在25  MHz下開關，使得整個轉換器可以實現100 MHz的輸出開關頻率。我們使用阻性負載來代表射頻功率放大器(RFPA)，同時設計了支持零電壓開關、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平衡[2]。印刷電路板(PCB)的布局是根據[3]的設計而得以優化[3]。

圖1：使用四階輸出濾波器的四相同步降壓轉換器的方框圖。

具有低損耗并且高速的柵極驅動器

設計支持在高頻開關的柵極驅動器極具挑戰性，尤其是對半橋配置中的高側場效應晶體管來說。專為較大電流、較低頻率的應用而設計的傳統自舉半橋柵極驅動器(例如LM5113[4])通常都具有很大的損耗，這是因為自舉二極管的反向恢復電荷所引致。這樣會限制了最高的開關頻率。為了達到25  MHz開關頻率并同時保持高效率，我們采用了同步場效應晶體管自舉電源[5]。

我們在[4]介紹一種在高頻率下使用LM5113驅動器的方法，并通過合適的電路來停用其內部自舉二極管。可是，在這種應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驅動器，而是使用了數字隔離器(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效應晶體管EPC2038作為同步自舉場效應晶體管(QBTST)。低側場效應晶體管驅動器包含與高側相同的組件以具備匹配的傳播延遲特性。

圖2：針對系統轉換器的單個相位并采用同步FET自舉電源的柵極驅動電路的原理圖。

測量靜態效率

我們在不同的穩態工作電壓對包絡跟蹤電源進行評估。圖3顯示了在占空比范圍(輸出電壓)內測量所得的功率級效率，以及包括柵極驅動器損耗在內的總效率。在大約D=0.5或15  V輸出電壓時的功率級峰值效率和總峰值效率分別大于94%和93%。由于氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)沒有安裝散熱器而使得散熱受限，因此我們沒有對高于17  V的不同輸出電壓測量其靜態效率。

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

圖3：測量所得的20 MHz LTE包絡信號的穩態功率級效率和總效率，以及概率分布函數(PDF)。

測量動態包絡跟蹤

20MHz  LTE包絡信號被轉換成8個PWM信號，分別用于控制四相位中的高側和低側場效應晶體管。這電路級還利用合適的死區時間來實現零電壓開關操作。PWM信號被儲存在  Altera? Arria? V FPGA[8]內，并且被發送至柵極驅動器。脈沖寬度的分辨率大約為0.2  ns，從而可以精細地調整占空比和死區時間，使得包絡跟蹤具備高信號保真度。圖4顯示了LTE包絡信號發生器系統的方框圖。

圖4: 包絡跟蹤信號發生的簡圖。

包絡跟蹤電源的輸出是用1 GHz差分探頭進行測量的(TDP1000)。圖5將測量所得的輸出電壓的取樣與參考電壓進行了比較。對應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。平均功率級效率和總效率分別是93%和92%。這種方法實現了精確的追蹤，歸一化的均方根誤差(NRMSE)僅為1.2%，測量所得的最大電流轉換速率是180  A/μs。

圖5：包絡參考信號和測量所得的LTE包絡信號。

總結

氮化鎵場效應晶體管(eGaN  FET)和IC在開關電源(SMPS)可以實現非常高的開關頻率，從而在許多應用中，如果帶寬、轉換速率和效率都是應用所需的關鍵因素的話，氮化鎵場效應晶體管能夠幫助工程師在應用中實現重大的性能突破。包絡跟蹤就是這些應用的其中一種。

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轉換器能夠以很高的效率工作在數十MHz的開關頻率。在諸如多相和多級別的各種拓撲中，采用氮化鎵器件設計的開關轉換器可以實現高帶寬以滿足現代諸如4G  LTE無線通信標準的需求。

采用基于氮化鎵場效應晶體管(EPC8004)四相位軟開關降壓轉換器設計的包絡跟蹤電源能夠精確地跟蹤峰均比(PAPR)為7 dB的20 MHz  LTE包絡信號，其總效率可超過92%，并可提供60  W的平均功率。此外，這種設計的可擴展性能可以支持不同的功率級別，工程師只需選擇不同的EPC場效應晶體管設計不同系統以滿足不同功率級別的需求。

eGaN? 是Efficient Power Conversion Corporation宜普電源轉換公司的注冊商標。

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.