如何在射頻應用中實現超快速電源暫態(tài)響應

摘要

本文展現了在無線尤其是在射頻領域應用中，實現超快速電源瞬態(tài)響應的實用方法。其旨在解決由于電源瞬態(tài)消隱時間，給系統(tǒng)設計開發(fā)者帶來的信號處理效率低下的問題與挑戰(zhàn)。針對不同的應用，ADI提出了相應的示例解決方案，并引入了Silent Switcher3單片電源產品實現最佳瞬態(tài)性能。

簡介

信號處理單元和片上系統(tǒng)(SoC)單元通常具有突然改變的負載瞬態(tài)變化。這種負載瞬態(tài)變化將干擾電源電壓，而電源電壓在射頻(RF)應用中極其重要，這種變化的電源電壓又會高度影響時鐘頻率，致使射頻片上系統(tǒng)(RFSoCs)通常在負載瞬態(tài)過程中使用消隱時間。在5G應用中，信息質量與過渡區(qū)間中的消隱時間高度相關。因此，對于任何射頻片上系統(tǒng)(RFSoC)來說，越來越需要減少電源側的負載瞬態(tài)效應，以提高系統(tǒng)級性能。本文將介紹幾種在射頻應用中實現電源快速瞬態(tài)響應的方法。

用于射頻應用的快速瞬態(tài)Silent Switcher 3系列

實現快速瞬態(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。Silent Switcher 3系列IC具有極低頻輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應、低EMI輻射和高效的特性。它采用超高性能誤差放大器設計，即使采用激進的補償方法也能提供額外的穩(wěn)定性。4MHz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)路的帶寬推至50kHz的范圍。表1列出了設計人員可以選擇用以實現快速瞬態(tài)性能的 Silent Switcher 3 IC。

表1.Silent Switcher 3系列參數

圖1顯示了基于LT8625SP用于5G RFSoC的典型1V輸出電源，其同時需要滿足快速瞬態(tài)響應和低紋波/噪聲水平。1V的負載由發(fā)射/接收相關電路以及本振(LO)和壓控振蕩器(VCO)組成。發(fā)射/接收負載會在頻分雙工 (FDD) 操作中出現負載電流突變。同時，LOs/VCOs負載恒定，但要求極高精度與極低噪聲。LT8625SP的高帶寬特性使設計人員能夠使用第二電感(L2)分離動態(tài)負載和靜態(tài)負載，從而在單個IC上為兩個關鍵的1V負載組供電。圖2顯示了4A到6A動態(tài)負載瞬態(tài)的輸出電壓響應。5us內動態(tài)負載即可恢復，且峰值電壓小于0.8%，這最小化了對靜態(tài)負載側的影響，峰值電壓僅小于0.1%?？赏ㄟ^改進此電路，用以適應其他輸出組合，如0.8V和1.8V，由于低頻范圍的超低噪聲、低電壓紋波和超快瞬態(tài)響應，因而無需達到LDO穩(wěn)壓器級均可直接為RFSoC供電。

圖1.LT8625SP的典型應用電路，動態(tài)/靜態(tài)射頻負載分離

圖2.負載瞬態(tài)響應很快，VOUT偏差極小，不會影響靜態(tài)負載

在時分雙工(TDD)模式下，與噪聲緊密相關的LO/VCO會隨著發(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，同時更急切需要后置濾波來保持LO/VCO的低紋波/低噪聲特性。饋通模式下的3端子電容器可實現足夠的后置濾波，其最小化的等效L可保持負載瞬態(tài)的快速帶寬。饋通電容與遠端輸出電容一起形成了另外兩個LC濾波電路，而所有Ls都來自3端電容的等效串聯(lián)電感(ESL)，其極小因而對負載瞬態(tài)的危害較小。圖3還說明了Silent Switcher 3系列的簡單遠程檢測連接。由于獨特的參考輸出和反饋技術，只需將SET引腳電容(C1)的接地和OUTS引腳開爾文連接到所需的遠程反饋點。此種連接無需電平轉換電路。圖4顯示了1A負載瞬態(tài)響應波形，恢復時間小于5us，輸出電壓紋波小于1mV。

圖3.LT8625SP的典型應用電路，動態(tài)/靜態(tài)射頻負載合并

圖4.饋通電容可提升瞬態(tài)響應，同時保持最小輸出電壓紋波

通過預充電信號驅動Silent Switcher 3系列IC實現快速瞬態(tài)響應

在某些情況下，若信號處理單元功能強大、同時具有足夠的引腳(GPIO)，并且信號處理方式合理得當，就可以預知瞬態(tài)發(fā)生。這通常發(fā)生在一些FPGA的電源設計中，其中可生成預充電信號輔助驅動電源瞬態(tài)響應。圖5為一類典型應用電路，該電路使用FPGA生成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擾動，而不會產生過大的輸出電壓(VOUT)偏差和恢復時間。由于預充電信號對反饋造成干擾，因此省略了從FPGA的管腳(GPIO)到逆變器輸入的調諧電路。電平控制為35mV。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之間設置了一個高通濾波器。圖6顯示了1.7A至4.2A負載瞬態(tài)響應波形。預充電信號在實際負載瞬態(tài)之前施加到反饋端(OUTS)，其恢復時間小于5us。

圖5.T8625SP將預充電信號饋入OUTS引腳以實現快速瞬態(tài)響應

圖6.預充電信號和負載瞬態(tài)同時影響LT8625SP，實現快速恢復時間

電路主動降壓以實現超快速恢復瞬態(tài)

在波束形成器應用中，電源電壓為適應不同的功率水平時刻變化。因此，對電源電壓的精度要求通常為5%至10%的區(qū)間。在此應用中，穩(wěn)定性比電壓精度更重要，在負載瞬態(tài)期間最小化恢復時間將最大限度地提高數據處理效率。降壓電路非常適合此應用，因為下降電壓可減少甚至消除恢復時間。如圖7所示LT8627SP的主動降壓電路的原理圖。在誤差放大器的負輸入端(OUTS)和輸出端(VC)之間添加了一個額外的降壓電阻，以在瞬態(tài)期間保持反饋控制環(huán)路中的穩(wěn)態(tài)誤差。下降電壓可表示為：

圖7.LT8627SP的OUTS和VC之間放置一個主動降壓電阻，以實現快速瞬態(tài)恢復時間

ΔVOUT是負載瞬態(tài)引起的初始電壓變化，ΔIOUT是負載瞬態(tài)電流，g是用于切換電流增益的VC引腳。設計圖7所示的降壓電路時，需要特別考慮以下幾點：

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，最好將電流限制在200μA以下以避免飽和，這可以通過改變R7和R8的值來實現。

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大致接近，從而在瞬態(tài)期間實現最短恢復時間。

圖8顯示了上述電路在1A至16A至1A負載瞬態(tài)期間的典型波形。值得注意的是，現在16A至1A負載瞬態(tài)速度不再受帶寬限制，但受穩(wěn)壓器最短導通時間限制。

圖8.可以實現降壓瞬態(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特性，無線射頻領域正變得越來越依賴計算，并對瞬態(tài)響應時間敏感。系統(tǒng)設計工程師面臨著提高電源瞬態(tài)響應速度以最小化消隱時間的挑戰(zhàn)。Silent Switcher 3系列是下一代單片穩(wěn)壓器，針對無線、工業(yè)與醫(yī)療保健領域的噪聲敏感、強動態(tài)負載瞬態(tài)解決方案進行了優(yōu)化。依據負載條件，可以應用特殊技術和電路進一步改善瞬態(tài)響應。