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.
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.
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.
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.
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.
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%.
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.
