采用氮化镓场效应晶体管的包络跟踪电源支持20MHz LTE带宽

宜普电源转换公司张远哲博士及Michael de Rooij博士

张远哲博士

Michael de Rooij 博士

 

我们在较早前发表的文章中为大家介绍了工作在10 MHz的硬开关降压转换器，并且展示了氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)在包络跟踪(ET)电源领域中的潜力[1]。

本篇文章将进一步阐述面向使用第四代移动通信技术(4G)LTE频带的无线通信基站基础设施并采用EPC8004高频氮化镓场效应晶体管设计的包络跟踪电源。包络跟踪电源是以多相位、采用零电压开关模式(ZVS)的同步降压转换器为基础，它可以支持20 MHz的大信号带宽，并且以30 V电压源提供60 W以上的平均负载功率。当跟踪峰均比(PAPR)为7 dB的20 MHz LTE包络信号，可实现的平均总效率可高达92%。

使用软开关的多相位拓扑

我们选用的是一个四相位同步降压脉宽调制(PWM)拓扑(见图1)。相邻相位的PWM控制信号被相移了90度。每个相位在25 MHz下开关，使得整个转换器可以实现100 MHz的输出开关频率。我们使用阻性负载来代表射频功率放大器(RFPA)，同时设计了支持零电压开关、20 MHz带宽的四阶滤波器，从而可以高效地工作和相位电流可自动平衡[2]。印刷电路板(PCB)的布局是根据[3]的设计而得以优化[3]。

图1：使用四阶输出滤波器的四相同步降压转换器的方框图。

具有低损耗并且高速的栅极驱动器

设计支持在高频开关的栅极驱动器极具挑战性，尤其是对半桥配置中的高侧场效应晶体管来说。专为较大电流、较低频率的应用而设计的传统自举半桥栅极驱动器(例如LM5113[4])通常都具有很大的损耗，这是因为自举二极管的反向恢复电荷所引致。这样会限制了最高的开关频率。为了达到25 MHz开关频率并同时保持高效率，我们采用了同步场效应晶体管自举电源[5]。

我们在[4]介绍一种在高频率下使用LM5113驱动器的方法，并通过合适的电路来停用其内部自举二极管。可是，在这种应用中还使用了另外一种不同的方法，这种方法并没有使用LM5113驱动器，而是使用了数字隔离器(ISO721MD)[6]和超高速逻辑(SN74LVC2G14) [7]，如图2所示。为了把寄生和相关的损耗减至最小，我们选用具有最小电气和物理占板面积的氮化镓场效应晶体管EPC2038作为同步自举场效应晶体管(QBTST)。低侧场效应晶体管驱动器包含与高侧相同的组件以具备匹配的传播延迟特性。

图2：针对系统转换器的单个相位并采用同步FET自举电源的栅极驱动电路的原理图。

测量静态效率

我们在不同的稳态工作电压对包络跟踪电源进行评估。图3显示了在占空比范围(输出电压)内测量所得的功率级效率，以及包括栅极驱动器损耗在内的总效率。在大约D=0.5或15 V输出电压时的功率级峰值效率和总峰值效率分别大于94%和93%。由于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)没有安装散热器而使得散热受限，因此我们没有对高于17 V的不同输出电压测量其静态效率。

图3显示了带宽为20 MHz、 峰均比为7dB的LTE包络信号的概率分布函数(PDF)。即使输出电压范围是5 V至28 V，出现约9 V至15 V的电压的可能性也相当大。虽然如此，在整个范围内的功率级效率都超过90%。

图3：测量所得的20 MHz LTE包络信号的稳态功率级效率和总效率，以及概率分布函数(PDF)。

测量动态包络跟踪

20MHz LTE包络信号被转换成8个PWM信号，分别用于控制四相位中的高侧和低侧场效应晶体管。这电路级还利用合适的死区时间来实现零电压开关操作。PWM信号被储存在 Altera® Arria® V FPGA[8]内，并且被发送至栅极驱动器。脉冲宽度的分辨率大约为0.2 ns，从而可以精细地调整占空比和死区时间，使得包络跟踪具备高信号保真度。图4显示了LTE包络信号发生器系统的方框图。

图4: 包络跟踪信号发生的简图。

包络跟踪电源的输出是用1 GHz差分探头进行测量的(TDP1000)。图5将测量所得的输出电压的取样与参考电压进行了比较。对应7 dB的峰均功率比值，平均输出功率是67 W，而峰值功率是346 W。平均功率级效率和总效率分别是93%和92%。这种方法实现了精确的追踪，归一化的均方根误差(NRMSE)仅为1.2%，测量所得的最大电流转换速率是180 A/μs。

 

图5：包络参考信号和测量所得的LTE包络信号。

总结

氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)和IC在开关电源(SMPS)可以实现非常高的开关频率，从而在许多应用中，如果带宽、转换速率和效率都是应用所需的关键因素的话，氮化镓场效应晶体管能够帮助工程师在应用中实现重大的性能突破。包络跟踪就是这些应用的其中一种。

由于具有较低的输入和输出电容(CISS and COSS)，以及较低的栅极电荷(QG) [9]，基于氮化镓器件的开关转换器能够以很高的效率工作在数十MHz的开关频率。在诸如多相和多级别的各种拓扑中，采用氮化镓器件设计的开关转换器可以实现高带宽以满足现代诸如4G LTE无线通信标准的需求。

采用基于氮化镓场效应晶体管(EPC8004)四相位软开关降压转换器设计的包络跟踪电源能够精确地跟踪峰均比(PAPR)为7 dB的20 MHz LTE包络信号，其总效率可超过92%，并可提供60 W的平均功率。此外，这种设计的可扩展性能可以支持不同的功率级别，工程师只需选择不同的EPC场效应晶体管设计不同系统以满足不同功率级别的需求。

eGaN® 是Efficient Power Conversion Corporation宜普电源转换公司的注册商标。

参考资料:

[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.