Применение eGaN-транзисторов в источниках питания для Envelope Tracking

Современные технологии беспроводной передачи данных по радиоканалу, такие как 4G LTE, требуют достаточно мощного источника питания. При этом кроме большой выходной мощности необходимо обеспечить и его высокую эффективность. Это особенно важно в случае мобильных устройств с аккумуляторным питанием. Для выполнения этих требований было разработано несколько решений. Одним из них стала технология Envelope Tracking, которая получает дополнительное преимущество при использовании силовых нитрид-галлиевых GaN-транзисторов. В статье рассматриваются практические результаты, достигнутые при реализации источника питания для Envelope Tracking на транзисторах EPC8004 от компании EPC.

Применение eGaN-транзисторов в источниках питания с Envelope Tracking

Рис. 1. Применение eGaN-транзисторов в источниках питания с Envelope Tracking

Очевидно, что ни один современный сотовый телефон или беспроводной модем не обходится без использования технологий беспроводной передачи данных. В большинстве случаев для создания быстродействующих и мощных передатчиков просто необходимо иметь высококачественный источник питания. Если учесть, что заряд аккумулятора мобильных устройств ограничен, то крайне важно обеспечить и его высокий КПД. К сожалению, обыкновенные источники питания не всегда подходят для этой цели.

Как известно, существует несколько способов модуляции сигналов: амплитудная, частотная, фазовая и др. При этом, несмотря на то, что наибольшую популярность в последнее время получила фазовая модуляция, амплитудная модуляция (АМ) также продолжает широко использоваться. Так, например, ее ограниченно применяют в современном стандарте 4G LTE.

Как известно, при амплитудной модуляции важно обеспечить линейную зависимость низковольтного входного и высоковольтного выходного сигналов. Для этого часто применяют транзисторные усилители, работающие в режиме A. В самом простом базовом случае такая схема использует источник питания с постоянным выходным напряжением. При этом транзистор имеет смещение, при котором рабочая точка выбирается равной половине напряжения питания. То есть, даже при отсутствии входного сигнала выходное напряжение равно половине напряжения питания, а через транзистор протекает ток.

Таким образом, КПД транзисторного каскада, работающего в режиме А, не будет превышать 50 %. При этом 50 % КПД достигается только при максимальном входном сигнале. Это легко продемонстрировать графически (рис. 2). Разница между напряжением питания и выходным сигналом прикладывается к силовому транзистору, через который течет ток. Это приводит к потерям мощности. Чем меньше амплитуда входного сигнала, тем больше потери и, наоборот, чем больше амплитуда входного сигнала, тем меньше потери.

Принцип действия источника питания с Envelope Tracking

Рис. 2. Принцип действия источника питания с Envelope Tracking

Существует несколько вариантов решения этой проблемы. Одним из них является технология Envelope Tracking. Она подразумевает изменение напряжения питания в соответствии с изменением амплитуды модулируемого сигнала. В результате уровень напряжения питания повторяет огибающую выходного сигнала, и разница между их значениями всегда оказывается минимальной. Это значит, что и на транзисторе будет рассеиваться минимальная мощность.

Такое решение оказывается чрезвычайно эффективным, но для его реализации необходимо выполнение ряда требований: выходной каскад источника питания должен иметь высокое быстродействие и минимальные потери проводимости. На практике ширина пропускания для усилителя составляет до десятков МГц. Очевидно, что в данном случае идеальным решением будет использование мощных и сверхбыстродействующих GaN-транзисторов. Это доказывают результаты, полученные инженерами компании EPC.

Для демонстрации преимуществ фирменных eGaN-транзисторов был создан 60 Вт Envelope Tracking источник питания с входным напряжением 30 В. Он состоит из четырех параллельно включенных усилителей, фазы которых сдвинуты друг относительно друга на 90° (рис. 3). Силовые каскады схемы построены на базе транзисторов EPC8004. На выходе использовался LC-фильтр, а в качестве тестовой нагрузки выступал резистор 2,6 Ом.

Мультифазная схема источника питания с Envelope Tracking

Рис. 3. Мультифазная схема источника питания с Envelope Tracking

Каждый из каналов работает на частоте 25 МГц, а результирующий выходной сигнал имеет частоту 100 МГц. Такой уровень быстродействия отвечает требованиям 4G LTE.

Высокая мощность и быстродействие обеспечивались за счет использования EPC8004 – сверхбыстродействующих мощных нитрид-галлиевых eGaN-транзисторов с рейтингом напряжения 40 В и максимальным постоянным выходным током 2,7 А. Несмотря на впечатляющие характеристики, EPC8004 отличается весьма скромными габаритами: 2,05 x 0,85 x 0,815 мм.

Внешний вид и размеры eGaN-транзистора EPC8004

Рис. 4. Внешний вид и размеры eGaN-транзистора EPC8004

Еще одной изюминкой схемы помимо eGaN-транзисторов стала реализация драйверов силовых каскадов. Для нитрид-галлиевых транзисторов, как правило, применяют специализированный драйвер LM5113. Он использует бустерную схему с дополнительным диодом для включения верхнего транзистора. Такая схема характеризуется дополнительными потерями на диоде при его восстановлении. Чем выше частота, тем больше потери. В результате было решено отказаться от LM5113 и использовать синхронную схему драйвера.

В синхронной схеме драйвера вместо бустрепного диода используется дополнительный eGaN-транзистор EPC2038 (рис. 5). Сигналы управления формируются с помощью изоляторов ISO721MD и микросхем стандартной логики SN74LVC2G14.

Схема драйвера eGaN с рабочей частой 25 МГц

Рис. 5. Схема драйвера eGaN с рабочей частой 25 МГц

Эффективность источника питания исследовалась в двух режимах работы:

  • режим ожидания без передачи пакетов;
  • режим с передачей 20 МГц сигнала 4G LTE.

При работе в режиме ожидания во всем диапазоне выходных напряжений КПД силового каскада не опускался ниже 90% (рис. 6). При работе в диапазоне 9-18 В КПД составлял не менее 93%. Пиковое значение КПД более 94% наблюдалось вблизи 15 В (коэффициент заполнения 0,5). Также стоит отметить, что общий КПД источника питания в диапазоне 9-18 В был не хуже 92%.

КПД исследуемого источника питания и силового каскада

Рис. 6. КПД исследуемого источника питания и силового каскада

При работе в режиме передачи 20 МГц сигнала 4G LTE КПД источника составил 92%, а КПД силового каскада 93%.

Таким образом, данный пример в очередной раз показал перспективность применения нитрид-галлиевых транзисторов в быстродействующих и мощных приложениях. Сверхкомпактные габариты и высокая эффективность делают GaN-компоненты чрезвычайно интересными для современных беспроводных решений.

Характеристики комбинированного датчика EPC8004:

  • рейтинг напряжения сток-исток: 40 В (импульсное напряжение до 48 В);
  • постоянный ток: 2,7 А;
  • импульсный ток: 7,5 А;
  • допустимое напряжение затвор-исток: -4…6 В;
  • пороговое напряжение: 1,4 В (типовое);
  • сопротивление открытого канала: 80 мОм (типовое);
  • входная емкость: 45 пФ;
  • диапазон рабочих температур: −40…150 °C;
  • корпусное исполнение: 2,05 x 0,85 x 0,815 мм.
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC8004ENGR
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371549 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Транзистор GaNFET N-Channel, Gallium Nitride 40V 4.4A (Ta). Параметры: Drain to Source Voltage (Vdss): 40V Current - Continuous Drain (Id) @ 25°C: 4.4A (Ta) Rds On (Max) @ Id, Vgs: 125 mOhm @ 500mA, 5V Vgs(th) (Max) @ Id: 2.5V @ 250µA Gate Charge (Qg) @ Vgs: - Input Capacitance (Ciss) @ Vds: 45pF @ 20V
EPC8004ENGR
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()