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利用多相三电平降压变换器设计提高RF功率放大器效率的包络跟踪电源

2021-09-28 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
RF功率放大器(RFPA)需要庞大的冷却设备,因为只要借助恒定的直流电源电压供电,它就会散发热量。所以通常冷却设备都会占据射频发射器系统的很大一部分。要提升RFPA的效率,根本原理和解决之道在于使用包络跟踪 (ET) 电源,因为这种电源调制器具有较高的峰-均峰值 (PARP)。本文介绍了如何利用多相三电平降压变换器来设计提高RF功率放大器效率的包络跟踪(ET)电源。

RF功率放大器(RFPA)需要庞大的冷却设备,众所周知,因为只要借助恒定的直流电源电压供电,它就会散发热量。所以通常冷却设备都会占据射频发射器系统的很大一部分。要提升RFPA的效率,根本原理和解决之道在于使用包络跟踪 (ET) 电源,因为这种电源调制器具有较高的峰-均峰值 (PARP)。 图1清楚地展示了一个ET功率放大器的简单功能框图。目前市场上已经有不同类型的ET电源,而且在具体类型中都有进一步的定义,如线性放大器、开关变换器、和线性辅助开关转换器。测量高达20 MHz的大信号带宽通常由单相或多相降压转换器来进行跟踪,这种转换器专用于4G LTE基站。在这种应用中有一个常见的问题,即在高频下对更高直流电压的处理。本文讨论并介绍了ET两相三电平降压转换器及其各项优点。这种设计因其高开关频率而具有较低的关断开关损耗,因此适用于PARP ET电源和更高带宽。本文还说明了这种转换器的工作原理和设计。YLKednc

图1: ET电源。YLKednc

设计

图2清楚地表示了这种两相三电平降压转换器和ET应用ZVS四阶输出滤波器的功率级架构。RFPA 的行为可从电阻负载 RL中获知。图 3 和图 4 表明了在 Vin/2 处对飞跨电容器两端电压的正确控制。当0 < D < 0.5时,每相开关节点电压在0 和 Vin/2 之间切换;当0.5 < D < 1时,电压在Vin/2 和 Vin 之间切换。我们可以注意到,4倍于器件开关频率的纹波频率存在于总电流 IT中,最终带来开环转换器带宽的增强和滤波器尺寸的减小。 YLKednc

图2:两相三电平降压变换器电路图。YLKednc

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图 3:转换器在0 < D < 0.5 时的波形。YLKednc

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图 4:转换器在0.5 < D < 1 时的波形。YLKednc

器件选择

该设计选择了EPC800系列eGaN FET,原因在于其具有超小尺寸、零反向恢复率和较低的开关损耗。图 5 和图 6 清楚地表明,相比传统同类设计,在高达50 MHz的较高开关频率下,最大额定功率为115 W的三电平设计具有更高的效率。其低侧MOSFET (LSM)包括顶部两个器件S1x和S2x,以及底部两个器件S3x和S4x。S1x和S2x将电感器 L1 连接到输入直流总线/电容器的正极端子(称为高侧MOSFET (HSM));S3x和S4x将电感器 L1 连接到地/飞跨电容的负极端子。在低侧器件的栅极信号中引入适当的延迟可以帮助实现 LSM的ZVS导通。1 在高侧器件导通时,存在一定的耗散,这是因为缺乏负导体电流来通过寄生电容器进行充电/放电。如果在设计峰-峰纹波电流时,使其承载的电流是平均电流值的两倍,则HSM的ZVS导通也可以实现。L1值的正确设置将有助于平衡相电流,而无需任何电流控制回路的帮助。结果表明,时间与充电/放电开关和电感器负峰值电流以及L1的最大值成反比关系,以实现高侧开关的ZVS以及专用于N相三电平变换器的负载电阻、开关频率和占空比。表 1显示了四阶ZVS滤波器元件的负载电阻为 6.6 Ω。借助戴维南定理和叠加原理,简化后的两相三电平变换器电路如图7所示。YLKednc

图 5:传统两电平降压转换器的开关频率效率比较。YLKednc

YLKednc

图 6:三电平降压变换器的开关频率效率对比。YLKednc

YLKednc

图 7:建议的两相三电平降压转换器的等效电路。YLKednc

结果与分析

在PLECS 仿真环境中,20 MHz带宽ET信号两相三电平降压转换器的开关节点电压和电感电流如图8所示。我们可以注意到,在开关节点电压为 (1) 0 V和15 V或(2) 15 V和30 V时出现切换,具体取决于输入包络命令值。与输入电压相比,GaN MOSFET 两端的电压应力被降低和限制。在平均功率条件下,该转换器在115 W时具有97.5%的峰值效率,在26 W时具有94.5%的平均频率。我们可以看出,这种设计可以实现10-dB PARP和90%以上的效率。YLKednc

图 8:20 MHz两相三电平降压转换器的开关节点电压和电感器电流YLKednc

结论与未来应用范围

本文介绍了适于更高带宽ET应用的两相三电平降压变换器设计。功率损耗模型可帮助优化转换器的设计。通过设计ZVS低通滤波器,可实现20 MHz LTE包络信号的跟踪,而多相降压变换器则完成了固有相位的维护和电流平衡。对于给定的设计额定值和PARP,与两电平降压转换器相比,本文建议的两相三电平降压转换器在平均功率方面效率更高。这种两相三电平降压转换器的可扩展性也要高很多,可用于大功率ET应用。与此同时,它还可以实现更高带宽和PARP。仿真结果证明了其原理和操作。YLKednc

(参考原文:Multi-Phase Three-Level Buck Converter for Envelope-Tracking Power Supply)YLKednc

参考来源:YLKednc

1. Multi-Phase Three-Level Buck Converter with Current Self-Balancing for High Bandwidth Envelope Tracking Power Supply Srikanth Yerra, Harish Krishnamoorthy Electrical and Computer Engineering University of Houston Houston, TX,YLKednc

2. K.Moon, J.Kim, S.Jin, B.Park, Y.Cho, M.Park, and B.Kim, “Highly linear envelope tracking power amplifier with simple correction circuit,” in 2015 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), May 2015, pp. 127–130.YLKednc

3. S. Jin, K. Moon, B. Park, J. Kim, D. Kim, Y. Cho, H. Jin, M. Kwon, and B. Kim, “Dynamic feedback and biasing for a linear CMOS power amplifier with envelope tracking,” in 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014), June 2014, pp. 1–4.YLKednc

4. M. Rodr ́ıguez, Y. Zhang, and D. Maksimovic ́, “High-Frequency PWM Buck Converters Using GaN-on-SiC HEMTs,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 5, pp. 2462–2473, May 2014.YLKednc

5. Y. Zhang, J. Strydom, M. de Rooij, and D. Maksimovic ́, “Envelope tracking GaN power supply for 4G cell phone base stations,” in 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 2016, pp. 2292–2297.YLKednc

6. H.Huang, J.Bao, and L.Zhang, “AMASH-Controlled Multilevel Power Converter for High-Efficiency RF Transmitters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 4, pp. 1205–1214, April 2011.YLKednc

7. C. Florian, T. Cappello, R. P. Paganelli, D. Niessen, and F. Filicori, “Envelope Tracking of an RF High Power Amplifier With an 8-Level Digitally Controlled GaN-on-Si Supply Modulator,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 8, pp. 2589–2602, Aug 2015.YLKednc

8. V.Yousefzadeh, E.Alarcon, and D.Maksimovic ́, “Band separation and efficiency optimization in linear-assisted switching power amplifiers,” in 2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 2006, pp. 1–7.YLKednc

9. P. F. Miaja, M. Rodriguez, A. Rodriguez, and J. Sebastian, “A Lin- ear Assisted DC/DC Converter for Envelope Tracking and Envelope Elimination and Restoration Applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 7, pp. 3302–3309, July 2012.YLKednc

10. (2019) EPC8009 – Enhancement Mode Power Transistor. (Online). Available: http://epc- co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC8009 datasheet.pdfYLKednc

11. (2019) EPC8004 – Enhancement Mode Power Transistor. (Online). Available: http://epc- co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC8004 datasheet.pdfYLKednc

本文转载自EDN姊妹网站《电子工程专辑》,英文原文链接:Multi-Phase Three-Level Buck Converter for Envelope-Tracking Power SupplyYLKednc

责编:Jenny LiaoYLKednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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