如何實(shí)現(xiàn)RF應(yīng)用的超快電源瞬態(tài)響應(yīng)

本文介紹了在無(wú)線（尤其是RF）應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)超快電源瞬態(tài)響應(yīng)的實(shí)用方法。它旨在解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員因電源瞬態(tài)消隱周期而導(dǎo)致信號(hào)處理效率低的挑戰(zhàn)。針對(duì)不同的應(yīng)用提供了示例解決方案。推出靜音切換器 3 單片電源系列，以實(shí)現(xiàn)最佳瞬態(tài)性能。

介紹

信號(hào)處理單元和片上系統(tǒng) （SoC） 單元通常具有突然變化的負(fù)載瞬態(tài)曲線。這種負(fù)載瞬態(tài)將導(dǎo)致電源電壓受到干擾，這在射頻（RF）應(yīng)用中至關(guān)重要，因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘頻率將受到變化電源電壓的高度影響。因此，RFSoC 通常在負(fù)載瞬變期間應(yīng)用消隱時(shí)間。在5G應(yīng)用中，信息質(zhì)量與過(guò)渡期間的這個(gè)消隱期高度相關(guān)。因此，越來(lái)越需要最小化電源側(cè)的負(fù)載瞬態(tài)影響，以提高任何RFSoC系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)性能。本文將介紹RF應(yīng)用中用于在電源設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)的幾種方法。

適用于射頻應(yīng)用的快速瞬態(tài)靜音切換器 3 系列

實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)電源軌的最直接方法之一是選擇具有快速瞬態(tài)性能的穩(wěn)壓器。靜音開關(guān) 3 系列 IC 具有極低頻率輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低 EMI 輻射和高效率。它采用超高性能誤差放大器設(shè)計(jì)，即使采用激進(jìn)補(bǔ)償也能提供額外的穩(wěn)定性。4 MHz的最大開關(guān)頻率使IC能夠在固定頻率峰值電流控制模式下將控制環(huán)路帶寬推至百kHz中范圍。表1列出了設(shè)計(jì)人員為實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)性能而選擇的靜音開關(guān)3 IC。

表 1.靜音切換器 3 系列參數(shù)

圖1顯示了用于5G RFSoC的典型1 V輸出電源，基于LT8625SP，該電源同時(shí)需要快速瞬態(tài)響應(yīng)和低紋波/噪聲水平。1 V負(fù)載由發(fā)送/接收相關(guān)電路以及本振（LO）和壓控振蕩器（VCO）組成。發(fā)射/接收負(fù)載在頻分雙工（FDD）操作中會(huì)看到負(fù)載電流的突然變化。同時(shí)，LO/VCO需要恒定負(fù)載，但需要關(guān)鍵的高精度和低噪聲。LT8625SP的高帶寬特性使設(shè)計(jì)人員能夠使用第二個(gè)電感（L2）分離動(dòng)態(tài)負(fù)載和靜態(tài)負(fù)載，從而從單個(gè)IC為兩個(gè)關(guān)鍵的1 V負(fù)載組供電。圖2顯示了4 A至6 A動(dòng)態(tài)負(fù)載瞬變時(shí)的輸出電壓響應(yīng)。動(dòng)態(tài)負(fù)載在峰峰值電壓小于0.8%時(shí)在5 μs內(nèi)恢復(fù)，從而最大限度地減少了峰峰值電壓小于0.1%時(shí)對(duì)靜態(tài)負(fù)載側(cè)的影響。該電路可以修改以適應(yīng)其他輸出組合，如0.8 V和1.8 V，由于低頻范圍內(nèi)的超低噪聲、低電壓紋波和超快瞬態(tài)響應(yīng)，這些組合都可以直接為RFSoC負(fù)載供電，而無(wú)需LDO穩(wěn)壓器級(jí)。

圖2.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)快速，最小V外偏差，不會(huì)影響靜載荷。

在時(shí)分雙工（TDD）模式下，噪聲關(guān)鍵LO/VCO隨著發(fā)送/接收模式的變化而加載和卸載。因此，可以使用圖3所示的簡(jiǎn)化電路，因?yàn)樗胸?fù)載都被視為動(dòng)態(tài)負(fù)載，而需要更關(guān)鍵的后濾波來(lái)維持LO/VCO的低紋波/低噪聲特性。饋通模式下的 3 端子電容器可用于實(shí)現(xiàn)足夠的后濾波，具有最小的等效 L，從而在負(fù)載瞬變時(shí)保持快速帶寬。饋通電容器與遠(yuǎn)端輸出電容器一起形成另外兩個(gè)LC濾波器級(jí)，而所有L都來(lái)自3端子電容器的ESL，這非常小，對(duì)負(fù)載瞬變的危害較小。圖 3 還顯示了靜音切換器 3 系列的簡(jiǎn)單遙感連接。由于獨(dú)特的參考生成和反饋技術(shù)，只需將SET引腳電容器（C1）的接地和OUTS引腳連接到所需的遠(yuǎn)程反饋點(diǎn)。此連接不需要電平轉(zhuǎn)換電路。圖4顯示了1 A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形，恢復(fù)時(shí)間為<5 μs，輸出電壓紋波<1 mV。

圖4.饋通電容器可增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)保持最小的輸出電壓紋波。

預(yù)充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)靜音切換器 3 系列，實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)

在某些情況下，信號(hào)處理單元功能強(qiáng)大，具有足夠的GPIO，并且信號(hào)處理可以很好地安排，因?yàn)榭梢蕴崆爸浪矐B(tài)事件。這通常發(fā)生在一些FPGA電源設(shè)計(jì)中，其中可以生成預(yù)充電信號(hào)以幫助為電源瞬態(tài)響應(yīng)供電。圖5示出了一個(gè)典型的應(yīng)用電路，該電路使用FPGA產(chǎn)生的預(yù)充電信號(hào)在實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)換發(fā)生之前提供偏置，以便LT8625SP可以有額外的時(shí)間來(lái)適應(yīng)負(fù)載干擾，而不會(huì)產(chǎn)生太大的電壓。外偏差和恢復(fù)時(shí)間。從FPGA的GPIO到逆變器輸入的調(diào)諧電路已被省略，因?yàn)轭A(yù)充電信號(hào)對(duì)反饋起到干擾作用。電平控制在35 mV。此外，為了避免預(yù)充電信號(hào)對(duì)穩(wěn)態(tài)的影響，在預(yù)充電信號(hào)和OUTS之間實(shí)現(xiàn)了高通濾波器。圖6顯示了1.7 A至4.2 A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。預(yù)充電信號(hào)在實(shí)際負(fù)載瞬變之前施加到反饋（OUTS），而恢復(fù)時(shí)間不到5 μs。

圖6.LT8625SP 反饋受預(yù)充電信號(hào)和負(fù)載瞬態(tài)的影響，可實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)時(shí)間。

電路上的主動(dòng)垂動(dòng)，用于超快恢復(fù)瞬態(tài)

在波束成形器應(yīng)用中，電源電壓一直在變化，以適應(yīng)不同的功率水平。因此，電源電壓的精度要求通常為5%至10%。在此應(yīng)用中，穩(wěn)定性比電壓精度更重要，因?yàn)樨?fù)載瞬態(tài)期間的恢復(fù)時(shí)間最小化將最大限度地提高數(shù)據(jù)處理效率。下垂電路非常適合此應(yīng)用，因?yàn)橄麓闺妷簩p少甚至消除恢復(fù)時(shí)間。圖7顯示了LT8627SP的有源下垂電路原理圖。在誤差放大器的負(fù)輸入（OUTS）和輸出（VC）之間增加了一個(gè)額外的下垂電阻，以在瞬態(tài)期間保持反饋控制環(huán)路中的穩(wěn)態(tài)誤差。下降電壓可以表示為：

圖7.LT8627SP 在 OUTS 和 VC 之間放置了一個(gè)有源下垂電阻器，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間。

而 ?V外是負(fù)載瞬變引起的初始電壓變化，?I外是負(fù)載瞬態(tài)電流，g是用于開關(guān)電流增益的VC引腳。在設(shè)計(jì)圖7所示的下垂電路時(shí)，需要特別考慮：

下降電流不應(yīng)超過(guò)VC引腳電流限值。對(duì)于LT8627SP的誤差放大器輸出，將電流限制在200 μA以下以避免飽和是合適的，這可以通過(guò)改變R7和R8值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下降電壓需要適應(yīng)輸出電容，以便瞬態(tài)期間的電壓偏差與下降電壓處于相似的水平，以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)期間的最小恢復(fù)時(shí)間。

圖8顯示了上述電路在1 A至16 A至1 A負(fù)載瞬變期間的典型波形。值得注意的是，現(xiàn)在16 A至1 A負(fù)載瞬態(tài)速度不再受到帶寬的限制，而是受到穩(wěn)壓器最小導(dǎo)通時(shí)間的限制。

圖8.可實(shí)現(xiàn)下垂瞬態(tài)響應(yīng)，以最大限度地縮短LT8627SP的瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間。

結(jié)論

由于高速信號(hào)處理的時(shí)間關(guān)鍵性，無(wú)線RF場(chǎng)越來(lái)越依賴于計(jì)算，并且對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間越來(lái)越敏感。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是提高電源瞬態(tài)響應(yīng)速度，從而最大限度地縮短消隱時(shí)間。靜音開關(guān) 3 系列是下一代單片穩(wěn)壓器，針對(duì)無(wú)線、工業(yè)、國(guó)防和醫(yī)療保健領(lǐng)域的噪聲敏感型、密集型動(dòng)態(tài)負(fù)載瞬態(tài)解決方案進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)負(fù)載條件，可以應(yīng)用特殊技術(shù)和電路來(lái)進(jìn)一步改善瞬態(tài)響應(yīng)。