如何實現(xiàn)RF應用的超快電源瞬態(tài)響應

本文介紹了在無線（尤其是RF）應用中實現(xiàn)超快電源瞬態(tài)響應的實用方法。它旨在解決系統(tǒng)設計人員因電源瞬態(tài)消隱周期而導致信號處理效率低的挑戰(zhàn)。針對不同的應用提供了示例解決方案。推出靜音切換器 3 單片電源系列，以實現(xiàn)最佳瞬態(tài)性能。?

介紹

信號處理單元和片上系統(tǒng) （SoC） 單元通常具有突然變化的負載瞬態(tài)曲線。這種負載瞬態(tài)將導致電源電壓受到干擾，這在射頻（RF）應用中至關重要，因為時鐘頻率將受到變化電源電壓的高度影響。因此，RFSoC 通常在負載瞬變期間應用消隱時間。在5G應用中，信息質量與過渡期間的這個消隱期高度相關。因此，越來越需要最小化電源側的負載瞬態(tài)影響，以提高任何RFSoC系統(tǒng)的系統(tǒng)級性能。本文將介紹RF應用中用于在電源設計中實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應的幾種方法。

適用于射頻應用的快速瞬態(tài)靜音切換器 3 系列

實現(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 3 系列 IC 具有極低頻率輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應、低 EMI 輻射和高效率。它采用超高性能誤差放大器設計，即使采用激進補償也能提供額外的穩(wěn)定性。4 MHz的最大開關頻率使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列出了設計人員為實現(xiàn)快速瞬態(tài)性能而選擇的靜音開關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，該電源同時需要快速瞬態(tài)響應和低紋波/噪聲水平。1 V負載由發(fā)送/接收相關電路以及本振（LO）和壓控振蕩器（VCO）組成。發(fā)射/接收負載在頻分雙工（FDD）操作中會看到負載電流的突然變化。同時，LO/VCO需要恒定負載，但需要關鍵的高精度和低噪聲。LT8625SP的高帶寬特性使設計人員能夠使用第二個電感（L2）分離動態(tài)負載和靜態(tài)負載，從而從單個IC為兩個關鍵的1 V負載組供電。圖2顯示了4 A至6 A動態(tài)負載瞬變時的輸出電壓響應。動態(tài)負載在峰峰值電壓小于0.8%時在5 μs內恢復，從而最大限度地減少了峰峰值電壓小于0.1%時對靜態(tài)負載側的影響。該電路可以修改以適應其他輸出組合，如0.8 V和1.8 V，由于低頻范圍內的超低噪聲、低電壓紋波和超快瞬態(tài)響應，這些組合都可以直接為RFSoC負載供電，而無需LDO穩(wěn)壓器級。

圖1.LT8625SP在動態(tài)/靜態(tài)分離RF負載中的典型應用電路。

圖2.負載瞬態(tài)響應快速，最小V外偏差，不會影響靜載荷。

在時分雙工（TDD）模式下，噪聲關鍵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所示的簡化電路，因為所有負載都被視為動態(tài)負載，而需要更關鍵的后濾波來維持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現(xiàn)足夠的后濾波，具有最小的等效 L，從而在負載瞬變時保持快速帶寬。饋通電容器與遠端輸出電容器一起形成另外兩個LC濾波器級，而所有L都來自3端子電容器的ESL，這非常小，對負載瞬變的危害較小。圖 3 還顯示了靜音切換器 3 系列的簡單遙感連接。由于獨特的參考生成和反饋技術，只需將SET引腳電容器（C1）的接地和OUTS引腳連接到所需的遠程反饋點。此連接不需要電平轉換電路。圖4顯示了1 A負載瞬態(tài)響應波形，恢復時間為<5 μs，輸出電壓紋波<1 mV。

圖3.LT8625SP在動態(tài)/靜態(tài)組合RF負載中的典型應用電路。

圖4.饋通電容器可增強瞬態(tài)響應，同時保持最小的輸出電壓紋波。

預充電信號驅動靜音切換器 3 系列，實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應

在某些情況下，信號處理單元功能強大，具有足夠的GPIO，并且信號處理可以很好地安排，因為可以提前知道瞬態(tài)事件。這通常發(fā)生在一些FPGA電源設計中，其中可以生成預充電信號以幫助為電源瞬態(tài)響應供電。圖5示出了一個典型的應用電路，該電路使用FPGA產(chǎn)生的預充電信號在實際負載轉換發(fā)生之前提供偏置，以便LT8625SP可以有額外的時間來適應負載干擾，而不會產(chǎn)生太大的電壓。外偏差和恢復時間。從FPGA的GPIO到逆變器輸入的調諧電路已被省略，因為預充電信號對反饋起到干擾作用。電平控制在35 mV。此外，為了避免預充電信號對穩(wěn)態(tài)的影響，在預充電信號和OUTS之間實現(xiàn)了高通濾波器。圖6顯示了1.7 A至4.2 A負載瞬態(tài)響應波形。預充電信號在實際負載瞬變之前施加到反饋（OUTS），而恢復時間不到5 μs。

圖5.T8625SP 帶有預充電信號，饋入 OUTS 引腳，以實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應。

圖6.LT8625SP 反饋受預充電信號和負載瞬態(tài)的影響，可實現(xiàn)快速恢復時間。

電路上的主動垂動，用于超快恢復瞬態(tài)

在波束成形器應用中，電源電壓一直在變化，以適應不同的功率水平。因此，電源電壓的精度要求通常為5%至10%。在此應用中，穩(wěn)定性比電壓精度更重要，因為負載瞬態(tài)期間的恢復時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用，因為下垂電壓將減少甚至消除恢復時間。圖7顯示了LT8627SP的有源下垂電路原理圖。在誤差放大器的負輸入（OUTS）和輸出（VC）之間增加了一個額外的下垂電阻，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 之間放置了一個有源下垂電阻器，以實現(xiàn)快速瞬態(tài)恢復時間。

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

下降電流不應超過VC引腳電流限值。對于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，這可以通過改變R7和R8值來實現(xiàn)。

下降電壓需要適應輸出電容，以便瞬態(tài)期間的電壓偏差與下降電壓處于相似的水平，以實現(xiàn)瞬態(tài)期間的最小恢復時間。

圖8顯示了上述電路在1 A至16 A至1 A負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)壓器最小導通時間的限制。

圖8.可實現(xiàn)下垂瞬態(tài)響應，以最大限度地縮短LT8627SP的瞬態(tài)恢復時間。

結論

由于高速信號處理的時間關鍵性，無線RF場越來越依賴于計算，并且對瞬態(tài)響應時間越來越敏感。系統(tǒng)設計工程師面臨的挑戰(zhàn)是提高電源瞬態(tài)響應速度，從而最大限度地縮短消隱時間。靜音開關 3 系列是下一代單片穩(wěn)壓器，針對無線、工業(yè)、國防和醫(yī)療保健領域的噪聲敏感型、密集型動態(tài)負載瞬態(tài)解決方案進行了優(yōu)化。根據(jù)負載條件，可以應用特殊技術和電路來進一步改善瞬態(tài)響應。

審核編輯：郭婷