如何為5G基站組件選擇合適的電源

自80年代初引入模擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)以來，蜂窩通信已有了長足發(fā)展。如今，隨著市場由4G向5G網(wǎng)絡(luò)解決方案遷移，蜂窩通信行業(yè)正在為實現(xiàn)更快數(shù)據(jù)傳輸速度、更低延遲以及容量、用戶密度和可靠性的巨大飛躍奠定基礎(chǔ)。例如，5G不僅可以提高數(shù)據(jù)速率(100倍)和網(wǎng)絡(luò)容量(10倍)，還可將延遲大幅降低到 1ms以下，并同時實現(xiàn)數(shù)十億互聯(lián)設(shè)備近乎無處不在的連接，這些互聯(lián)設(shè)備是不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分。一個典型的5G波束成型發(fā)射器由數(shù)字MIMO、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、信號處理組件、放大器和天線組成。

5G系統(tǒng)波束成型發(fā)射器的高層功能框圖

FPGA的供電

為了充分實現(xiàn)5G的優(yōu)勢，設(shè)計人員需要使用更高頻率的無線電，通過整合更多集成型微波/毫米波收發(fā)器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、更高速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及適合更小蜂窩的高功率低噪聲功率放大器(PA)，才能充分利用新頻譜，以滿足未來的數(shù)據(jù)容量需求。此外，這些5G蜂窩還將包含更多的集成天線，才能應用大規(guī)模多路輸入、多路輸出(MIMO)技術(shù)以實現(xiàn)可靠連接。因此，需要各種最先進的電源為5G基站組件供電。

現(xiàn)代FPGA和處理器采用先進納米工藝制造，因為它們通常要在緊湊封裝內(nèi)的高電流條件下采用低電壓(<0.9V)執(zhí)行快速計算。此外，新一代FPGA需要更低的內(nèi)核電壓以大幅提高計算速度，同時又要求更高的I/O接口電壓，并且還需要額外的DDR存儲器供電軌。因此，單個FPGA實際上需要具有嚴緊容差的多個電壓和不同的額定電流，以實現(xiàn)最優(yōu)操作。

更重要的是，為了避免損壞，必須以正確的順序?qū)@些電壓軌的時序進行控制。使用最新的半導體技術(shù)結(jié)合領(lǐng)先的電路拓撲和先進封裝技術(shù)來構(gòu)建電源，可以滿足這些嚴格的要求。然而，如果設(shè)計人員未能正確使用合適的電源管理解決方案，則會導致各種風險，從低效率到熱性能以及其他不希望出現(xiàn)的性能相關(guān)的問題。

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低噪聲供電

同樣，運行速度更快的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC))也需要多個電源軌，例如具有極低噪聲和直流紋波的1.3V、2.5V和3.3V。通常，這些高速ADC和DAC布設(shè)在擁擠的印刷電路板(PCB)上，可用空間有限。因此，在設(shè)計這些高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)時，ADC和DAC的電源靈敏度必須是首要考慮因素。

通過將先進半導體和封裝技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，ADI的?Module?Silent Switcher?穩(wěn)壓器可以輕松地解決此問題，滿足高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的效率、密度和噪聲性能需求。Silent Switcher LTM8065便是一個很好的示例，它可以為這些器件提供一個低噪聲、更緊湊、更高效的供電解決方案。與傳統(tǒng)的分立式解決方案不同，LTM8065可以顯著減少組件數(shù)量和電源板空間，而不必犧牲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能。該器件在符合RoHS標準的單個BGA封裝中集成了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感和所有支持組件。

在某些情況下，為了最大程度地提高電源電壓抑制比(PSRR)性能，可以在開關(guān)穩(wěn)壓器之后的電源路徑中使用線性穩(wěn)壓器。ADP7118便是一款這樣的低壓差(LDO)、低噪聲線性穩(wěn)壓器，可處理寬輸入電壓范圍，具有高輸出精度、低噪聲、高PSRR以及出色的線路與負載瞬態(tài)響應性能。而且，該產(chǎn)品系列還有更多型號，可以使用ADI的LTpowerCAD和LTspice?等軟件工具進行正確選擇。

PA和收發(fā)器的電源管理

這些新一代無線電整合了集成型收發(fā)器和低噪聲、高功率微波/毫米波PA，并具有更寬帶寬，它們的數(shù)字控制和管理系統(tǒng)需要使用多種專用電源技術(shù)。例如，基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達28V至50V的電壓，同時基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個更低的電壓，并具有適當?shù)臅r序控制、監(jiān)控和保護功能。最先進的DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供這些5G PA所需的效率(>90%)、功率密度、低噪聲性能和控制功能。

在新一代(5G)產(chǎn)品性能必須超越上一代(4G)的巨大壓力下，幾乎沒有任何折衷的余地。因此，ADI作為專注于基站RF鏈的各個方面并擁有為這些應用供電所需電源管理工具的全面知識的一家公司，能夠為當今的5G PA和收發(fā)器提供合適的電源方案。ADI可提供業(yè)界最廣泛的高性能Power by Linear?產(chǎn)品組合，從高效率、高密度DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊到電源管理IC (PMIC)和超低噪聲線性穩(wěn)壓器(包括電源時序、監(jiān)控和保護功能)，從而可以為5G信號鏈供電提供更全面的方法。

ADI的Module穩(wěn)壓器和Silent Switcher技術(shù)是完整的電源系統(tǒng)化封裝解決方案，能夠提供精準電壓，并在微型封裝內(nèi)實現(xiàn)最高效率(>95%)和高功率密度，具有高可靠性和最低EMI與噪聲。這些解決方案專為高性能RF系統(tǒng)的供電而設(shè)計，具有最高功率轉(zhuǎn)換效率和密度，而不會增加噪聲或?qū)δ繕藷o線電信號的干擾，從而確保這些RF PA和其他此類RF電路的最佳性能。

同樣，為了應對電路中需要多個供電軌時的電源時序控制挑戰(zhàn)，ADI提供了時序控制器系列，范圍從兩個電源(ADM6819/ADM6820)到17個通道(ADM1266)。為了確保系統(tǒng)正常、高效和安全地工作，對器件電壓、電流或溫度進行監(jiān)控至關(guān)重要。為此，ADI提供了LTC2990等器件。

總結(jié)

總之，ADI的Power by Linear產(chǎn)品組合包括低噪聲LDO穩(wěn)壓器、低EMI且高度集成的多軌DC/DC轉(zhuǎn)換器?Module器件、Silent Switcher 技術(shù)以及其他電源管理IC(包括電源時序控制器、監(jiān)控器和保護電路)，所有這些都使ADI有能力提供業(yè)內(nèi)最廣泛的電源產(chǎn)品系列。該系列可全面滿足5G基站組件的供電所需，包括軟件設(shè)計和LTpowerCAD和LTspice等仿真工具。這些工具簡化了為器件選擇正確的電源管理解決方案的任務(wù)，因此可以為5G基站組件提供最佳電源解決方案。