5G AAU 功放控制和監(jiān)測模塊的簡析

作者：Joyce Li

第五代移動通信技術(shù)（即5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱5G或5G技術(shù)）是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，也是繼4G（LTE、WiMax）、3G（UMTS、WCDMA）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。相比于4G技術(shù)，5G 有三大突出優(yōu)勢：1. eMBB Enhanced Mobile Broadband，即增強型移動寬帶，比4G具有更高的上傳、下載速率，可以進一步滿足用戶對于極致網(wǎng)速的要求。2. uRLLC Ultra-Reliable Low latency， 即超可靠低時延通信，在此場景下，連接時延要達到1ms級別，而且要支持高速移動（500km/h）情況下的高可靠性連接。這一場景更多面向車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、工業(yè)控制、遠程醫(yī)療等特殊應用。3. mMTC ，massive Machine Type Communications，即海量機器類通信，支持海量終端互聯(lián)，實現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，可以快速促進各垂直行業(yè)（智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等）的深度融合。

實現(xiàn)以上5G特點，最重要的技術(shù)變革就是5G采用了massive MIMO技術(shù)，即多天線大規(guī)模多輸入輸出。其實，MIMO技術(shù)在通信上應用不是新鮮事，但5G采用了massive MIMO技術(shù)，它是MIMO的擴展，它通過在基站上增加大量天線來擴展到傳統(tǒng)系統(tǒng)。數(shù)量眾多的天線有助于集中能量，從而極大地提高了吞吐量和效率。隨著天線數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)和移動設(shè)備都實現(xiàn)了更復雜的設(shè)計來協(xié)調(diào)MIMO操作。Massive MIMO利用了三個關(guān)鍵概念，即空間分集、空間復用和波束成形?；谝陨?，5G Massive MIMO基站最大特點是采用64TR或者32TR天線系統(tǒng)，并且將RRU和天線整合在一起，天線不再像4G時代拉遠放置。本文將簡要闡述在5G Massive MIMO系統(tǒng)下的功放控制以及檢測模塊系統(tǒng)的簡要分析，并提出TI的全套解決方案。

5G 功放系統(tǒng)是TX的重要組成部分，起到功率發(fā)射、基站覆蓋的功能，尤其是在64TR 32TR系統(tǒng)里，功放數(shù)量大幅上升，功放的效率以及散熱會在整個AAU系統(tǒng)中都是耗能的大頭。所以功放監(jiān)控電路設(shè)計可以起到高效控制PA、降低電路面積、降低耗能的目的。

目前5G主流的功放有LDMOS PA以及 GaN PA。LDMOS PA作為一種是采用硅工藝的LDMOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，橫向擴散MOS）技術(shù)，技術(shù)成熟，稍顯陳舊，成本低；GaN PA是基于三五族工藝的氮化鎵（GaN）技術(shù)，GaN的主要優(yōu)點是其較高的功率密度，具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好，而LDMOS在高頻下受到挑戰(zhàn)。GaN技術(shù)性能比LDMOS更好，非常適合5G高頻應用的需求，不過價格相對更貴。GaN的供電電壓需要更高的電平，柵壓電平需要負壓；LDMOS PA的柵壓需要正壓供電。圖1是兩種PA簡化的工作原理。通過調(diào)節(jié)柵壓電平可以起到控制PA功率輸出的目的。

圖1：GaN 和LDMOS PA的簡化工作原理

一般來說，5G AAU系統(tǒng)一個TX通道的額定發(fā)射功率在5W~10W量級，5G功放系統(tǒng)一般采用多級功放級聯(lián)的形式，來實現(xiàn)大功率輸出的目的。第二級通常為Doherty架構(gòu)，圖2為傳統(tǒng)對稱Doherty功率放大器電路示意圖。Doherty功率放大器主要由4個部分組成：功分器、主放大器（carrier PA）、輔助放大器（Peak PA）和信號合路。其中，功分器用于將信號分別輸入到主放大器與輔助放大器中；主放大器工作在AB類工作狀態(tài)，輸出端接1/4波長傳輸線；輔助放大器工作在C類工作狀態(tài)，輸入端接1/4波長傳輸線；信號合路部分用于將主放大器與輔助放大器放大的信號融合。對于傳統(tǒng)的對稱Doherty功率放大器，功分器功率分配比為1：1，并且主放大器與輔助放大器選用相同的晶體管。

圖2 Doherty PA架構(gòu)示意圖

功放柵壓控制DAC

控制PA柵壓的DAC器件是5G功放監(jiān)控系統(tǒng)的核心器件，由于5G AAU系統(tǒng)中天線數(shù)量較4G時代增加不少，對于DAC通道數(shù)的集成度就有了很高的要求。對于以上介紹的1級PA+ Doherty PA架構(gòu)，每通道需要3個DAC供PA的柵壓。對于64TR AAU系統(tǒng)，則總共需要64*3=192個通道的DAC。AMC7932是TI新 推出的高集成32通道12bitDAC，其內(nèi)部還集成12bit SAR型 250KSPS ADC以及片上溫度傳感器。

相較于上一代AMC7836，DAC的數(shù)量從16通道升級到32通道，對于AAU場景，DAC芯片數(shù)量可以降低。其中32通道DAC，分為2個group，每個group都可以支持正負壓供電。每個group供電范圍以及DAC的輸出范圍可以支持–10 V to 0 V, –5 V to 0 V, 0 V to 5 V, 以及 0 V to 10V?？梢灾С諰DMOS以及GaN PA方案。其中集成的ADC可以用來轉(zhuǎn)換放置在PA附近的模擬溫度傳感器。功放的功率也隨著溫度改變而改變，所以功放的測溫需求也是功放監(jiān)控模塊的必備功能。用戶一般會在FPGA里存儲功放功率、溫度和對應的DAC柵壓電壓的查找表，便于系統(tǒng)快速配置功放功率。圖3是AMC7932的常用原理圖，對接的為LDMOS類型的PA。

圖3. AMC7932 原理圖

功放溫度/電流檢測

功放溫度檢測目的是一是為了檢測功放是否在正常工作，是否有過熱等異常發(fā)生；二是檢測當前功放的溫度，如果系統(tǒng)調(diào)整柵壓，需要根據(jù)溫度查找表找出需要配置DAC的柵壓數(shù)值。溫度傳感器的選擇可以選取模擬電壓輸出類別的溫度傳感器或者數(shù)字接口傳感器，模擬輸出的傳感器可以輸入給AMC7932的ADC進行轉(zhuǎn)換，再通過SPI傳給FPGA等器件，所以可以節(jié)省一個數(shù)字通信接口器件，便于系統(tǒng)精簡。TMP235是TI推出的高性能/低成本的模擬溫度傳感器，可以實現(xiàn)typical+/- 0.5C, maximum +/-2.5C -40C~150C溫度范圍。TMP235放置在PA附近，可以多個PA共用一顆溫度傳感器。

功放電流檢測是用來檢測功放消耗的電流，檢測功放的健康狀態(tài)，是否有過流等異常現(xiàn)象發(fā)生。電流檢測一般測試Ids的電流，也可以同時檢測多路功放供電。INA281系列是TI推出的一顆高性能/低成本的電流傳感器，具有超高的共模電壓范圍，支持-4V~110V共模電壓范圍，對于GaN 以及LDMOS 管的供電范圍都能支持，并且有很大裕量。電流檢測的原理是檢測串聯(lián)在功放供電電路上的Shunt電阻上的壓降，再經(jīng)過內(nèi)部放大電路，放大輸出給AMC7932的ADC，如圖4所示。INA281的內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)有多種檔位，從20V/V到500V/V都有不同的型號，用戶可以按照系統(tǒng)測試電流的范圍進行選擇。需要強調(diào)的是，INA281的內(nèi)部偏移電壓offset voltage（Vos）以及Gain error都非常低，Vos 在+/-55uV級別，gain error在+/-0.5%，可以滿足用戶精準的電流測試需求，并且溫漂性能也在很低的數(shù)量級，Vos 溫漂性能在+/-0.1uV/C. Gain drift在+/-20ppm/C。

圖4. INA281工作原理圖

AAU TDD制式下的節(jié)能功能

AAU系統(tǒng)由于MIMO的架構(gòu)，器件數(shù)量、功放數(shù)量、天線數(shù)量都有很大的提升，所以AAU整機功耗也比4G RRU有明顯提高了，降功耗就是AAU的重要目標。而功放功耗占AAU功耗的大頭，功放降功耗也是重要目標。通常功放降功耗可以通過選取高效率的GaN功放、DPD（數(shù)字預失真）算法等。此外還可以借助TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢，在上行時隙時關(guān)斷PA的柵壓，下行時隙時打開PA的柵壓，可以節(jié)省PA的功耗。具體實現(xiàn)方式是在柵壓控制DAC AMC7932輸出到PA柵壓間加上以及開關(guān)器件，通過FPGA控制開關(guān)器件的打開關(guān)斷，實現(xiàn)TDD下PA的工作以及關(guān)斷。TMUX4157N就是TI推出的一顆負壓開關(guān)，可以用于GaN功放系統(tǒng)，工作電壓支持-4V~-12V，Ron電阻1.8ohm, 支持超高的工作范圍-55C~125C，圖5是其工作的示意圖。對于LDMOS PA，需要選取支持正壓供電的開關(guān)，TMUX1247就是不錯的選擇。

圖5. 負壓開關(guān)TMUX4157N工作示意圖