【導(dǎo)讀】RF功率放大器（RFPA）需要龐大的冷卻設(shè)備，眾所周知，因為只要借助恒定的直流電源電壓供電，它就會散發(fā)熱量。所以通常冷卻設(shè)備都會占據(jù)射頻發(fā)射器系統(tǒng)的很大一部分。要提升RFPA的效率，根本原理和解決之道在于使用包絡(luò)跟蹤 (ET) 電源，因為這種電源調(diào)制器具有較高的峰-均峰值 (PARP)。
RF功率放大器（RFPA）需要龐大的冷卻設(shè)備，眾所周知，因為只要借助恒定的直流電源電壓供電，它就會散發(fā)熱量。所以通常冷卻設(shè)備都會占據(jù)射頻發(fā)射器系統(tǒng)的很大一部分。要提升RFPA的效率，根本原理和解決之道在于使用包絡(luò)跟蹤 (ET) 電源，因為這種電源調(diào)制器具有較高的峰-均峰值 (PARP)。 圖1清楚地展示了一個ET功率放大器的簡單功能框圖。目前市場上已經(jīng)有不同類型的ET電源，而且在具體類型中都有進(jìn)一步的定義，如線性放大器、開關(guān)變換器、和線性輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換器。測量高達(dá)20 MHz的大信號帶寬通常由單相或多相降壓轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行跟蹤，這種轉(zhuǎn)換器專用于4G LTE基站。在這種應(yīng)用中有一個常見的問題，即在高頻下對更高直流電壓的處理。本文討論并介紹了ET兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器及其各項優(yōu)點。這種設(shè)計因其高開關(guān)頻率而具有較低的關(guān)斷開關(guān)損耗，因此適用于PARP ET電源和更高帶寬。本文還說明了這種轉(zhuǎn)換器的工作原理和設(shè)計。
圖1: ET電源。
設(shè)計
圖2清楚地表示了這種兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器和ET應(yīng)用ZVS四階輸出濾波器的功率級架構(gòu)。RFPA 的行為可從電阻負(fù)載 RL中獲知。圖 3 和圖 4 表明了在 Vin/2 處對飛跨電容器兩端電壓的正確控制。當(dāng)0 < D < 0.5時，每相開關(guān)節(jié)點電壓在0 和 Vin/2 之間切換；當(dāng)0.5 < D < 1時，電壓在Vin/2 和 Vin 之間切換。我們可以注意到，4倍于器件開關(guān)頻率的紋波頻率存在于總電流 IT中，最終帶來開環(huán)轉(zhuǎn)換器帶寬的增強和濾波器尺寸的減小。
圖2：兩相三電平降壓變換器電路圖。
圖 3：轉(zhuǎn)換器在0 < D < 0.5 時的波形。
圖 4：轉(zhuǎn)換器在0.5 < D < 1 時的波形。
器件選擇
該設(shè)計選擇了EPC800系列eGaN FET，原因在于其具有超小尺寸、零反向恢復(fù)率和較低的開關(guān)損耗。圖 5 和圖 6 清楚地表明，相比傳統(tǒng)同類設(shè)計，在高達(dá)50 MHz的較高開關(guān)頻率下，最大額定功率為115 W的三電平設(shè)計具有更高的效率。其低側(cè)MOSFET (LSM)包括頂部兩個器件S1x和S2x，以及底部兩個器件S3x和S4x。S1x和S2x將電感器 L1 連接到輸入直流總線/電容器的正極端子（稱為高側(cè)MOSFET (HSM)）；S3x和S4x將電感器 L1 連接到地/飛跨電容的負(fù)極端子。在低側(cè)器件的柵極信號中引入適當(dāng)?shù)难舆t可以幫助實現(xiàn) LSM的ZVS導(dǎo)通。1 在高側(cè)器件導(dǎo)通時，存在一定的耗散，這是因為缺乏負(fù)導(dǎo)體電流來通過寄生電容器進(jìn)行充電/放電。如果在設(shè)計峰-峰紋波電流時，使其承載的電流是平均電流值的兩倍，則HSM的ZVS導(dǎo)通也可以實現(xiàn)。L1值的正確設(shè)置將有助于平衡相電流，而無需任何電流控制回路的幫助。結(jié)果表明，時間與充電/放電開關(guān)和電感器負(fù)峰值電流以及L1的最大值成反比關(guān)系，以實現(xiàn)高側(cè)開關(guān)的ZVS以及專用于N相三電平變換器的負(fù)載電阻、開關(guān)頻率和占空比。表 1顯示了四階ZVS濾波器元件的負(fù)載電阻為 6.6 Ω。借助戴維南定理和疊加原理，簡化后的兩相三電平變換器電路如圖7所示。
圖 5：傳統(tǒng)兩電平降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率與效率比較。
圖 6：三電平降壓變換器的開關(guān)頻率與效率對比。
圖 7：建議的兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器的等效電路。
結(jié)果與分析
在PLECS 仿真環(huán)境中，20 MHz帶寬ET信號兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點電壓和電感電流如圖8所示。我們可以注意到，在開關(guān)節(jié)點電壓為 (1) 0 V和15 V或(2) 15 V和30 V時出現(xiàn)切換，具體取決于輸入包絡(luò)命令值。與輸入電壓相比，GaN MOSFET 兩端的電壓應(yīng)力被降低和限制。在平均功率條件下，該轉(zhuǎn)換器在115 W時具有97.5%的峰值效率，在26 W時具有94.5%的平均頻率。我們可以看出，這種設(shè)計可以實現(xiàn)10-dB PARP和90%以上的效率。
圖 8：20 MHz時兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點電壓和電感器電流
結(jié)論與未來應(yīng)用范圍
本文介紹了適于更高帶寬ET應(yīng)用的兩相三電平降壓變換器設(shè)計。功率損耗模型可幫助優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。通過設(shè)計ZVS低通濾波器，可實現(xiàn)20 MHz LTE包絡(luò)信號的跟蹤，而多相降壓變換器則完成了固有相位的維護(hù)和電流平衡。對于給定的設(shè)計額定值和PARP，與兩電平降壓轉(zhuǎn)換器相比，本文建議的兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器在平均功率方面效率更高。這種兩相三電平降壓轉(zhuǎn)換器的可擴展性也要高很多，可用于大功率ET應(yīng)用。與此同時，它還可以實現(xiàn)更高帶寬和PARP。仿真結(jié)果證明了其原理和操作。
(參考原文：Multi-Phase Three-Level Buck Converter for Envelope-Tracking Power Supply)
參考來源：
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,
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.
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.
4. M. Rodr ??guez, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
10. (2019) EPC8009 – Enhancement Mode Power Transistor. (Online). Available: http://epc- co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC8009 datasheet.pdf
11. (2019) EPC8004 – Enhancement Mode Power Transistor. (Online). Available: http://epc- co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC8004 datasheet.pdf
(來源：EDN姊妹網(wǎng)站《電子工程專輯》，作者：Maurizio Di Paolo Emilio)
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
推薦閱讀：
干貨 | 基于高性能模擬時序控制器，輕松實現(xiàn)復(fù)雜電源時序控制
