面向GaN功率放大器的電源解決方案

RF前端的高功率末級(jí)功放已被GaN功率放大器取代。柵極負(fù)壓偏置使其在設(shè)計(jì)上有別于其它技術(shù)，有時(shí)設(shè)計(jì)具有一定挑戰(zhàn)性；但它的性能在許多應(yīng)用中是獨(dú)特的。閱讀本文，了解Qorvo的電源管理解決方案如何消除GaN的柵極偏置差異。

如今，電子工程師明白GaN技術(shù)需要柵極負(fù)電壓工作。這曾經(jīng)被視為負(fù)面的——此處“負(fù)面”和“負(fù)極”并非雙關(guān)語(yǔ)——但今天，有一些技術(shù)使這種柵極負(fù)壓操作變得微不足道。今天，我們擁有電源管理集成電路（PMIC）器件，可以輕松可靠地為這些GaN PA通電和斷電，以及PMIC所帶來(lái)更多其他優(yōu)勢(shì)。我們將在下面詳細(xì)介紹。

在這篇博客文章中，我們將解讀PMIC如何用于設(shè)計(jì)和控制雷達(dá)、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、衛(wèi)星通信和其他應(yīng)用中的RF GaN PA技術(shù)。我們還將探討PMIC如何幫助優(yōu)化射頻前端（RFFE）設(shè)計(jì)以獲得最佳性能。

深入探討RFFE功率管理的系統(tǒng)挑戰(zhàn)

在往期博文中，我們探討了在RFFE中使用GaN 功率放大技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到的障礙。以下是對(duì)相關(guān)內(nèi)容的回顧：

從電力供應(yīng)的角度來(lái)看，還有其他障礙——比如：

事實(shí)上，采用PMIC可完全消除上述障礙。

深入了解電源軌

在許多RF放大器系統(tǒng)中，RFFE的電源軌很可能為開關(guān)電源。這些開關(guān)電源具有高電壓擺動(dòng)和高斜率，這會(huì)增加噪聲的可能性。此外還會(huì)產(chǎn)生少量的電源調(diào)制噪聲，如測(cè)量的電源調(diào)制比（PSMR）。該P(yáng)SMR是對(duì)調(diào)制到RF發(fā)射載波上的缺陷（紋波和噪聲）的測(cè)量。可以使用非隔離的RF負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器（PMIC中的RF PoL）來(lái)減少或消除這種噪聲。實(shí)施RF PoL/PMIC可為RFFE應(yīng)用帶來(lái)最佳運(yùn)行所需的高精度電壓軌、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)負(fù)載，和低噪聲。

對(duì)于RF功率放大器應(yīng)用而言，純凈的發(fā)射器信號(hào)并避免電源干擾非常重要，以免在載波頻率周圍產(chǎn)生尖峰（其他線路輻射）。這正是RF PoL的優(yōu)勢(shì)所在；它能產(chǎn)生高輸出電壓，有助于優(yōu)化功率放大器的效率，控制功率放大器件的額定值，并構(gòu)建一個(gè)可調(diào)的控制回路，從而提供一個(gè)低噪聲電源。如下圖所示，借助SiC FETs、 ACT43950和ACT43850這三種電源鏈器件，可以獲得全功能的低噪聲電源鏈。

簡(jiǎn)化的電源、PMIC和RFFE

上述PMIC框圖分解如下：

GaN PA PMIC控制器

· ACT43750——是一款高度集成的漏極開關(guān)和柵極負(fù)壓調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)超快速RF GaN功率放大器漏極開關(guān)。此外，它可以自動(dòng)瞬時(shí)保持恒定的RF GaN功率放大器柵極電壓偏置時(shí)序，并提供動(dòng)態(tài)偏置校準(zhǔn)——即針對(duì)溫度波動(dòng)、電流坍塌和器件老化進(jìn)行調(diào)整。

• 啟動(dòng)自動(dòng)偏壓控制時(shí)序

• 自動(dòng)生成柵極負(fù)偏置電壓

• 上電時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)偏置點(diǎn)

• 提供開/關(guān)漏極開關(guān)

當(dāng)GaN功率放大器因溫度漂移和老化而產(chǎn)生漂移時(shí)，重新校準(zhǔn)偏置點(diǎn)

電源——恒流穩(wěn)壓器和降壓RF PoL 

· ACT43950——一款高壓恒流電容器充電控制器，與Qorvo的SiC FET配合使用，可提供全量程可編程的輸出電壓軌和電流

· ACT43850——RF PoL降壓型DC-DC電源轉(zhuǎn)換器；其使用ACT43950的輸出并將其降至為GaN功率放大器優(yōu)化的良好穩(wěn)定電壓。憑借其先進(jìn)的配置選項(xiàng)，RFFE系統(tǒng)可以最大限度降低噪聲及電磁干擾（EMI），從而獲得最高性能。

在上文中，ACT43750調(diào)節(jié)柵極和漏極——漏極電壓范圍為10至55V。需要注意的是，如果您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)施了電壓軌，ACT43750也可獨(dú)立使用。在這種情況下，需要添加ACT43750和開關(guān)（GaN或Si）。系統(tǒng)中的ACT43750單獨(dú)為RF系統(tǒng)的GaN器件提供10至55V直流恒定軌（適合此電壓范圍的GaN功率放大器有：QPD0005M、QPA0017和QPA2612，其它產(chǎn)品請(qǐng)?jiān)L問(wèn)qorvo.com/products/amplifiers/power-amplifiers）。但是，如不添加ACT43950和ACT43850，您的設(shè)計(jì)將需要更大的功率元件與導(dǎo)線，如上所述。

ACT41000可用于低電壓解決方案；其漏極電壓范圍為3至24V。往期博文《使用電源管理模塊為GaN功率放大器上電（和斷電）》對(duì)這一器件進(jìn)行了概述；此篇博文和相關(guān)視頻教程（qorvo.com/design-hub/videos/using-advanced-power-management-to-optimize-gan-pa-performance）介紹了如何在系統(tǒng)中設(shè)置和使用該器件。

RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的ACT41000 PMIC

該器件與上述PMIC、SiC FET和GaN功率放大器器件一樣，適用于雷達(dá)、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今的RF系統(tǒng)越來(lái)越小，要求更寬的RF帶寬、更高的功率、更高的工作溫度，且必須比以前的解決方案更加可靠。這通常意味著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加；但在RF GaN應(yīng)用中采用 Qorvo的PMIC，能夠讓復(fù)雜的功率樹更易于管理。PMIC使控制、操作和性能更為精確、可靠和優(yōu)化。技術(shù)的進(jìn)步讓我們?cè)俅巍绑@嘆不已”?，F(xiàn)在，采用PMIC，設(shè)計(jì)工程師可以更好、更輕松地進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)打造技術(shù)高度先進(jìn)的RFFE系統(tǒng)。

來(lái)源：Qorvo半導(dǎo)體