5G AAU 功放控制和監(jiān)測(cè)模塊的簡(jiǎn)析

作者：Joyce Li

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（即5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡(jiǎn)稱5G或5G技術(shù)）是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是繼4G（LTE、WiMax）、3G（UMTS、WCDMA）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。相比于4G技術(shù)，5G 有三大突出優(yōu)勢(shì)：1. eMBB Enhanced Mobile Broadband，即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，比4G具有更高的上傳、下載速率，可以進(jìn)一步滿足用戶對(duì)于極致網(wǎng)速的要求。2. uRLLC Ultra-Reliable Low latency， 即超可靠低時(shí)延通信，在此場(chǎng)景下，連接時(shí)延要達(dá)到1ms級(jí)別，而且要支持高速移動(dòng)（500km/h）情況下的高可靠性連接。這一場(chǎng)景更多面向車聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等特殊應(yīng)用。3. mMTC ，massive Machine Type Communications，即海量機(jī)器類通信，支持海量終端互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，可以快速促進(jìn)各垂直行業(yè)（智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等）的深度融合。

實(shí)現(xiàn)以上5G特點(diǎn)，最重要的技術(shù)變革就是5G采用了massive MIMO技術(shù)，即多天線大規(guī)模多輸入輸出。其實(shí)，MIMO技術(shù)在通信上應(yīng)用不是新鮮事，但5G采用了massive MIMO技術(shù)，它是MIMO的擴(kuò)展，它通過(guò)在基站上增加大量天線來(lái)擴(kuò)展到傳統(tǒng)系統(tǒng)。數(shù)量眾多的天線有助于集中能量，從而極大地提高了吞吐量和效率。隨著天線數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)協(xié)調(diào)MIMO操作。Massive MIMO利用了三個(gè)關(guān)鍵概念，即空間分集、空間復(fù)用和波束成形?；谝陨希?G Massive MIMO基站最大特點(diǎn)是采用64TR或者32TR天線系統(tǒng)，并且將RRU和天線整合在一起，天線不再像4G時(shí)代拉遠(yuǎn)放置。本文將簡(jiǎn)要闡述在5G Massive MIMO系統(tǒng)下的功放控制以及檢測(cè)模塊系統(tǒng)的簡(jiǎn)要分析，并提出TI的全套解決方案。

5G 功放系統(tǒng)是TX的重要組成部分，起到功率發(fā)射、基站覆蓋的功能，尤其是在64TR 32TR系統(tǒng)里，功放數(shù)量大幅上升，功放的效率以及散熱會(huì)在整個(gè)AAU系統(tǒng)中都是耗能的大頭。所以功放監(jiān)控電路設(shè)計(jì)可以起到高效控制PA、降低電路面積、降低耗能的目的。

目前5G主流的功放有LDMOS PA以及 GaN PA。LDMOS PA作為一種是采用硅工藝的LDMOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，橫向擴(kuò)散MOS）技術(shù)，技術(shù)成熟，稍顯陳舊，成本低；GaN PA是基于三五族工藝的氮化鎵（GaN）技術(shù)，GaN的主要優(yōu)點(diǎn)是其較高的功率密度，具有高擊穿電壓，高電流密度，高過(guò)渡頻率，低導(dǎo)通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好，而LDMOS在高頻下受到挑戰(zhàn)。GaN技術(shù)性能比LDMOS更好，非常適合5G高頻應(yīng)用的需求，不過(guò)價(jià)格相對(duì)更貴。GaN的供電電壓需要更高的電平，柵壓電平需要負(fù)壓；LDMOS PA的柵壓需要正壓供電。圖1是兩種PA簡(jiǎn)化的工作原理。通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓電平可以起到控制PA功率輸出的目的。

圖1：GaN 和LDMOS PA的簡(jiǎn)化工作原理

一般來(lái)說(shuō)，5G AAU系統(tǒng)一個(gè)TX通道的額定發(fā)射功率在5W~10W量級(jí)，5G功放系統(tǒng)一般采用多級(jí)功放級(jí)聯(lián)的形式，來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率輸出的目的。第二級(jí)通常為Doherty架構(gòu)，圖2為傳統(tǒng)對(duì)稱Doherty功率放大器電路示意圖。Doherty功率放大器主要由4個(gè)部分組成：功分器、主放大器（carrier PA）、輔助放大器（Peak PA）和信號(hào)合路。其中，功分器用于將信號(hào)分別輸入到主放大器與輔助放大器中；主放大器工作在AB類工作狀態(tài)，輸出端接1/4波長(zhǎng)傳輸線；輔助放大器工作在C類工作狀態(tài)，輸入端接1/4波長(zhǎng)傳輸線；信號(hào)合路部分用于將主放大器與輔助放大器放大的信號(hào)融合。對(duì)于傳統(tǒng)的對(duì)稱Doherty功率放大器，功分器功率分配比為1：1，并且主放大器與輔助放大器選用相同的晶體管。

圖2 Doherty PA架構(gòu)示意圖

功放柵壓控制DAC

控制PA柵壓的DAC器件是5G功放監(jiān)控系統(tǒng)的核心器件，由于5G AAU系統(tǒng)中天線數(shù)量較4G時(shí)代增加不少，對(duì)于DAC通道數(shù)的集成度就有了很高的要求。對(duì)于以上介紹的1級(jí)PA+ Doherty PA架構(gòu)，每通道需要3個(gè)DAC供PA的柵壓。對(duì)于64TR AAU系統(tǒng)，則總共需要64*3=192個(gè)通道的DAC。AMC7932是TI新 推出的高集成32通道12bitDAC，其內(nèi)部還集成12bit SAR型 250KSPS ADC以及片上溫度傳感器。

相較于上一代AMC7836，DAC的數(shù)量從16通道升級(jí)到32通道，對(duì)于AAU場(chǎng)景，DAC芯片數(shù)量可以降低。其中32通道DAC，分為2個(gè)group，每個(gè)group都可以支持正負(fù)壓供電。每個(gè)group供電范圍以及DAC的輸出范圍可以支持–10 V to 0 V, –5 V to 0 V, 0 V to 5 V, 以及 0 V to 10V。可以支持LDMOS以及GaN PA方案。其中集成的ADC可以用來(lái)轉(zhuǎn)換放置在PA附近的模擬溫度傳感器。功放的功率也隨著溫度改變而改變，所以功放的測(cè)溫需求也是功放監(jiān)控模塊的必備功能。用戶一般會(huì)在FPGA里存儲(chǔ)功放功率、溫度和對(duì)應(yīng)的DAC柵壓電壓的查找表，便于系統(tǒng)快速配置功放功率。圖3是AMC7932的常用原理圖，對(duì)接的為L(zhǎng)DMOS類型的PA。

圖3. AMC7932 原理圖

功放溫度/電流檢測(cè)

功放溫度檢測(cè)目的是一是為了檢測(cè)功放是否在正常工作，是否有過(guò)熱等異常發(fā)生；二是檢測(cè)當(dāng)前功放的溫度，如果系統(tǒng)調(diào)整柵壓，需要根據(jù)溫度查找表找出需要配置DAC的柵壓數(shù)值。溫度傳感器的選擇可以選取模擬電壓輸出類別的溫度傳感器或者數(shù)字接口傳感器，模擬輸出的傳感器可以輸入給AMC7932的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過(guò)SPI傳給FPGA等器件，所以可以節(jié)省一個(gè)數(shù)字通信接口器件，便于系統(tǒng)精簡(jiǎn)。TMP235是TI推出的高性能/低成本的模擬溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)typical+/- 0.5C, maximum +/-2.5C -40C~150C溫度范圍。TMP235放置在PA附近，可以多個(gè)PA共用一顆溫度傳感器。

功放電流檢測(cè)是用來(lái)檢測(cè)功放消耗的電流，檢測(cè)功放的健康狀態(tài)，是否有過(guò)流等異?，F(xiàn)象發(fā)生。電流檢測(cè)一般測(cè)試Ids的電流，也可以同時(shí)檢測(cè)多路功放供電。INA281系列是TI推出的一顆高性能/低成本的電流傳感器，具有超高的共模電壓范圍，支持-4V~110V共模電壓范圍，對(duì)于GaN 以及LDMOS 管的供電范圍都能支持，并且有很大裕量。電流檢測(cè)的原理是檢測(cè)串聯(lián)在功放供電電路上的Shunt電阻上的壓降，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部放大電路，放大輸出給AMC7932的ADC，如圖4所示。INA281的內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)有多種檔位，從20V/V到500V/V都有不同的型號(hào)，用戶可以按照系統(tǒng)測(cè)試電流的范圍進(jìn)行選擇。需要強(qiáng)調(diào)的是，INA281的內(nèi)部偏移電壓offset voltage（Vos）以及Gain error都非常低，Vos 在+/-55uV級(jí)別，gain error在+/-0.5%，可以滿足用戶精準(zhǔn)的電流測(cè)試需求，并且溫漂性能也在很低的數(shù)量級(jí)，Vos 溫漂性能在+/-0.1uV/C. Gain drift在+/-20ppm/C。

圖4. INA281工作原理圖

AAU TDD制式下的節(jié)能功能

AAU系統(tǒng)由于MIMO的架構(gòu)，器件數(shù)量、功放數(shù)量、天線數(shù)量都有很大的提升，所以AAU整機(jī)功耗也比4G RRU有明顯提高了，降功耗就是AAU的重要目標(biāo)。而功放功耗占AAU功耗的大頭，功放降功耗也是重要目標(biāo)。通常功放降功耗可以通過(guò)選取高效率的GaN功放、DPD（數(shù)字預(yù)失真）算法等。此外還可以借助TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在上行時(shí)隙時(shí)關(guān)斷PA的柵壓，下行時(shí)隙時(shí)打開(kāi)PA的柵壓，可以節(jié)省PA的功耗。具體實(shí)現(xiàn)方式是在柵壓控制DAC AMC7932輸出到PA柵壓間加上以及開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)FPGA控制開(kāi)關(guān)器件的打開(kāi)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)TDD下PA的工作以及關(guān)斷。TMUX4157N就是TI推出的一顆負(fù)壓開(kāi)關(guān)，可以用于GaN功放系統(tǒng)，工作電壓支持-4V~-12V，Ron電阻1.8ohm, 支持超高的工作范圍-55C~125C，圖5是其工作的示意圖。對(duì)于LDMOS PA，需要選取支持正壓供電的開(kāi)關(guān)，TMUX1247就是不錯(cuò)的選擇。

圖5. 負(fù)壓開(kāi)關(guān)TMUX4157N工作示意圖