面向GaN功率放大器的电源解决方案
发布日期:2023-12-05
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RF前端的高功率末级功放已被GaN功率放大器取代。栅极负压偏置使其在设计上有别于其它技术，有时设计具有一定挑战性；但它的性能在许多应用中是独特的。阅读本文，了解Qorvo的电源管理解决方案如何消除GaN的栅极偏置差异。
如今，电子工程师明白GaN技术需要栅极负电压工作。这曾经被视为负面的——此处“负面”和“负极”并非双关语——但今天，有一些技术使这种栅极负压操作变得微不足道。今天，我们拥有电源管理集成电路（PMIC）器件，可以轻松可靠地为这些GaN PA通电和断电，以及PMIC所带来更多其他优势。我们将在下面详细介绍。
在这篇博客文章中，我们将解读PMIC如何用于设计和控制雷达、无线基础设施、卫星通信和其他应用中的RF GaN PA技术。我们还将探讨PMIC如何帮助优化射频前端（RFFE）设计以获得最佳性能。
深入探讨RFFE功率管理的系统挑战
在往期博文中，我们探讨了在RFFE中使用GaN 功率放大技术进行设计时遇到的障碍。以下是对相关内容的回顾：
从电力供应的角度来看，还有其他障碍——比如：
事实上，采用PMIC可完全消除上述障碍。
深入了解电源轨
在许多RF放大器系统中，RFFE的电源轨很可能为开关电源。这些开关电源具有高电压摆动和高斜率，这会增加噪声的可能性。此外还会产生少量的电源调制噪声，如测量的电源调制比（PSMR）。该PSMR是对调制到RF发射载波上的缺陷（纹波和噪声）的测量。可以使用非隔离的RF负载点调节器（PMIC中的RF PoL）来减少或消除这种噪声。实施RF PoL/PMIC可为RFFE应用带来最佳运行所需的高精度电压轨、快速动态响应负载，和低噪声。
对于RF功率放大器应用而言，纯净的发射器信号并避免电源干扰非常重要，以免在载波频率周围产生尖峰（其他线路辐射）。这正是RF PoL的优势所在；它能产生高输出电压，有助于优化功率放大器的效率，控制功率放大器件的额定值，并构建一个可调的控制回路，从而提供一个低噪声电源。如下图所示，借助SiC FETs、 ACT43950和ACT43850这三种电源链器件，可以获得全功能的低噪声电源链。
简化的电源、PMIC和RFFE
上述PMIC框图分解如下：
GaN PA PMIC控制器
· ACT43750——是一款高度集成的漏极开关和栅极负压调节器，可实现超快速RF GaN功率放大器漏极开关。此外，它可以自动瞬时保持恒定的RF GaN功率放大器栅极电压偏置时序，并提供动态偏置校准——即针对温度波动、电流坍塌和器件老化进行调整。
· 启动自动偏压控制时序
· 自动生成栅极负偏置电压
· 上电时自动校准偏置点
· 提供开/关漏极开关
当GaN功率放大器因温度漂移和老化而产生漂移时，重新校准偏置点
电源——恒流稳压器和降压RF PoL
· ACT43950——一款高压恒流电容器充电控制器，与Qorvo的SiC FET配合使用，可提供全量程可编程的输出电压轨和电流
· ACT43850——RF PoL降压型DC-DC电源转换器；其使用ACT43950的输出并将其降至为GaN功率放大器优化的良好稳定电压。凭借其先进的配置选项，RFFE系统可以最大限度降低噪声及电磁干扰（EMI），从而获得最高性能。
在上文中，ACT43750调节栅极和漏极——漏极电压范围为10至55V。需要注意的是，如果您的系统设计已经实施了电压轨，ACT43750也可独立使用。在这种情况下，需要添加ACT43750和开关（GaN或Si）。系统中的ACT43750单独为RF系统的GaN器件提供10至55V直流恒定轨（适合此电压范围的GaN功率放大器有：QPD0005M、QPA0017和QPA2612，其它产品请访问qorvo.com/products/amplifiers/power-amplifiers）。但是，如不添加ACT43950和ACT43850，您的设计将需要更大的功率元件与导线，如上所述。
ACT41000可用于低电压解决方案；其漏极电压范围为3至24V。往期博文《使用电源管理模块为GaN功率放大器上电（和断电）》对这一器件进行了概述；此篇博文和相关视频教程（qorvo.com/design-hub/videos/using-advanced-power-management-to-optimize-gan-pa-performance）介绍了如何在系统中设置和使用该器件。
RF系统设计中使用的ACT41000 PMIC
该器件与上述PMIC、SiC FET和GaN功率放大器器件一样，适用于雷达、无线基础设施等领域。
结语
当今的RF系统越来越小，要求更宽的RF带宽、更高的功率、更高的工作温度，且必须比以前的解决方案更加可靠。这通常意味着系统复杂性的增加；但在RF GaN应用中采用 Qorvo的PMIC，能够让复杂的功率树更易于管理。PMIC使控制、操作和性能更为精确、可靠和优化。技术的进步让我们再次“惊叹不已”。现在，采用PMIC，设计工程师可以更好、更轻松地进行设计，同时打造技术高度先进的RFFE系统。
了解有关此主题的更多信息以及获得针对您最新设计挑战的解决方案，请访问Qorvo Design Hub（qorvo.com/design-hub），获取内容丰富的视频、博客文章、白皮书和工具等。
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