脈沖雷達(dá)GaN MMIC功率放大器的電源管理

作者：David Bennett and Richard DiAngelo

采用高度集成和高度復(fù)雜的高功率射頻（RF）GaN功率放大器（PA）的系統(tǒng)，例如脈沖雷達(dá)應(yīng)用，是當(dāng)今數(shù)字控制和管理系統(tǒng)不斷面臨的挑戰(zhàn)，以跟上這些不斷提高的復(fù)雜水平。為了在這個(gè)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)今的控制系統(tǒng)必須非常靈活、可重復(fù)使用，并且易于適應(yīng)各種RF放大器架構(gòu)，這些架構(gòu)可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制。這些復(fù)雜的管理系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)新的補(bǔ)償算法、內(nèi)置測(cè)試（BIT）功能、本地和遠(yuǎn)程通信接口、關(guān)鍵系統(tǒng)性能參數(shù)和環(huán)境條件的監(jiān)控以及系統(tǒng)故障保護(hù)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性增加是由基于半導(dǎo)體的RF系統(tǒng)對(duì)更高功率的需求推動(dòng)的。

這些高功率系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而影響放大器性能和平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。這些系統(tǒng)所需的RF放大器MMIC價(jià)格昂貴;高功率器件。因此，客戶希望實(shí)時(shí)監(jiān)控基于GaN PA的系統(tǒng)的性能和溫度。這允許在損壞之前檢測(cè)即將發(fā)生的問題，以便他們可以采取必要的措施來防止它。通過適當(dāng)?shù)目刂齐娮釉O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可以非常靈活，并且可以與任何RF放大器架構(gòu)一起使用。數(shù)字電子產(chǎn)品可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制。數(shù)字設(shè)計(jì)可以包括內(nèi)置保護(hù)邏輯，以便在接近損壞閾值時(shí)禁用GaN RF放大器。這些關(guān)鍵特性在需要優(yōu)化寬帶寬和溫度下的RF性能方面起著至關(guān)重要的作用。它們有助于實(shí)現(xiàn)高水平的可測(cè)試性、可維護(hù)性、易于系統(tǒng)集成和校準(zhǔn)，從而提供技術(shù)差異化。

當(dāng)今的半導(dǎo)體RF放大器的復(fù)雜性和輸出功率不斷增加。為了優(yōu)化性能、管理電源排序、提供故障檢測(cè)以及提供放大器系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)，可以使用可重新編程的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和/或微控制器來實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備。可重新編程的解決方案為當(dāng)今高級(jí)RF放大器子系統(tǒng)的開發(fā)提供了所需的靈活性。可重新編程性最大限度地降低了電路板重新設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，以及由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的進(jìn)度延遲。這些放大器系統(tǒng)具有相似但不同的要求，具體取決于應(yīng)用。數(shù)字控制電子架構(gòu)是為滿足應(yīng)用要求而量身定制的，通常包括：

數(shù)字控制器

非易失性存儲(chǔ)器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）

數(shù)字輸入/輸出 （I/O）

直流電源調(diào)節(jié)

通信接口

各種模擬傳感器

硬件和軟件的重用是能夠快速有效地開發(fā)設(shè)計(jì)變體的關(guān)鍵。這些功能減少了工廠測(cè)試和校準(zhǔn)的時(shí)間，并提供了重要的診斷工具，有助于調(diào)試系統(tǒng)問題。

圖1.典型的氮化鎵PA控制系統(tǒng)。

ADI RF放大器的大多數(shù)控制系統(tǒng)都采用了FPGA。這些器件用途廣泛，可以包括內(nèi)部軟核或嵌入式處理器。FPGA 可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)并行功能，這些功能可以同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。因此，F(xiàn)PGA能夠?qū)γ詈完P(guān)鍵電路條件做出快速反應(yīng)，以保護(hù)RF電子設(shè)備。邏輯函數(shù)和算法通常以硬件描述語言（HDL）實(shí)現(xiàn)，例如Verilog或VHDL。邏輯功能的執(zhí)行由FPGA中的狀態(tài)機(jī)邏輯控制。狀態(tài)機(jī)根據(jù)輸入和輸出條件控制執(zhí)行的操作順序。

放大器性能優(yōu)化： 為了優(yōu)化放大器性能，必須設(shè)置柵極電壓以達(dá)到數(shù)據(jù)手冊(cè)中放大器指定的電源電流。柵極電壓通過DAC調(diào)節(jié)，同時(shí)使用ADC監(jiān)控功率放大器的電源電流。這些特性提供了快速校準(zhǔn)RF放大器柵極電壓的能力，而無需探測(cè)或修改RF電子器件。

增強(qiáng)的電源排序、電源管理、電源監(jiān)控：FPGA設(shè)計(jì)可用于對(duì)穩(wěn)壓器和RF放大器進(jìn)行排序，以最大限度地降低上電電流，并監(jiān)控和檢測(cè)放大器和電源故障。FPGA 可以根據(jù)檢測(cè)到的故障情況關(guān)閉系統(tǒng)組件，或通過控制接口向計(jì)算機(jī)報(bào)告狀態(tài)，從而采取保護(hù)措施。FPGA可以通過關(guān)閉未使用時(shí)的電路（待機(jī)模式）來管理整體系統(tǒng)功耗。

溫度監(jiān)控、熱管理：溫度是高功率放大器系統(tǒng)中射頻性能的關(guān)鍵因素。通過提供溫度監(jiān)控功能，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償放大器的算法。此外，通過溫度監(jiān)控，F(xiàn)PGA可用于控制風(fēng)扇速度等冷卻系統(tǒng)，以最大程度地降低性能。該邏輯可以檢測(cè)潛在的破壞性熱條件并采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

數(shù)字和模擬 I/O：FPGA 可以控制射頻開關(guān)、移相器、數(shù)字衰減器和電壓可變衰減器（模擬衰減器）。幾乎任何模擬傳感器信號(hào)都可以使用ADC連接到FPGA。只要感興趣的信息可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式并連接到FPGA，就可以監(jiān)控和/或?qū)⒏信d趣的信息或信號(hào)應(yīng)用于算法進(jìn)行處理。

控制、計(jì)算機(jī)接口、圖形用戶界面 （GUI）：這些可能是管理系統(tǒng)最重要的方面，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松訪問放大器系統(tǒng)提供的所有控制、傳感器和診斷數(shù)據(jù)。可以開發(fā)GUI以將所有控制和狀態(tài)信息格式化為易于使用的人機(jī)界面?？梢蚤_發(fā)軟件腳本，以促進(jìn)在整個(gè)系統(tǒng)集成和最終測(cè)試過程中實(shí)現(xiàn)極高的生產(chǎn)測(cè)試覆蓋率、校準(zhǔn)和故障分析。測(cè)試數(shù)據(jù)可以寫入計(jì)算機(jī)文件或從計(jì)算機(jī)文件中讀取，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到NVRAM中，以便在運(yùn)行時(shí)用作補(bǔ)償算法的變量。除了工廠使用之外，這款功能強(qiáng)大的接口工具還可以在現(xiàn)場(chǎng)使用，以監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，確定系統(tǒng)根本原因故障，并提供控制軟件的輕松現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。此接口的變體可以輕松用于物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用，有助于將智能帶入邊緣。

GaN RF功率放大器可用于連續(xù)波（CW）模式和脈沖模式應(yīng)用。從控制的角度來看，脈沖操作更具挑戰(zhàn)性，因此它是本次討論的重點(diǎn)。脈沖射頻可用于通信、醫(yī)療和雷達(dá)應(yīng)用，僅舉幾例。脈沖操作具有減少散熱的優(yōu)點(diǎn)，有助于降低冷卻方案的要求，并最大限度地減少系統(tǒng)外部直流電源要求。然而，增加的脈沖重復(fù)頻率（PRF）與更低的占空比和更快的建立時(shí)間要求相結(jié)合，繼續(xù)推動(dòng)最新技術(shù)的發(fā)展。我們滿足這些苛刻要求的方法是利用數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)RF MMIC進(jìn)行脈沖。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列通常用于啟用/禁用RF MMIC，使用柵極或漏極脈沖技術(shù)，具體取決于系統(tǒng)要求。FPGA與RF MMIC的控制接口通常包括用于切換MMIC漏極電源的電路，或與柵極接口的某種形式的模擬或數(shù)模電路。根據(jù)開關(guān)速度和建立時(shí)間要求，電容器組可能需要在本地存儲(chǔ)能量，以便在對(duì)MMIC進(jìn)行脈沖時(shí)實(shí)現(xiàn)最有效的直流偏置。

圖2和圖3顯示了可用于脈沖RF應(yīng)用的通用典型電路。FPGA 提供脈沖信號(hào)的定時(shí)控制，并為射頻 MMIC 提供同步狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)。FPGA 可以接收單個(gè)脈沖信號(hào)并將其分配到一個(gè)或多個(gè) RF MMIC 器件，同時(shí)保持緊密的時(shí)序關(guān)系。

圖2.典型的柵極控制方案。

圖3.典型的漏極開關(guān)方案。

總結(jié)

ADI公司繼續(xù)為客戶開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)使用復(fù)雜的RF功率放大器系統(tǒng)。

為了在這個(gè)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)今的控制系統(tǒng)必須非常靈活、可重復(fù)使用，并且易于適應(yīng)各種RF放大器架構(gòu)，這些架構(gòu)可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制。它們可以包括內(nèi)置保護(hù)邏輯，以便在接近損壞閾值時(shí)禁用RF放大器，并在需要在寬帶寬和工作溫度下優(yōu)化RF性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。它們有助于實(shí)現(xiàn)高水平的可測(cè)試性、可維護(hù)性、易于系統(tǒng)集成和校準(zhǔn)，從而提供與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)差異化，從而利用當(dāng)今的高功率進(jìn)行有影響力的創(chuàng)新 功放管理系統(tǒng)。

在這些系統(tǒng)中實(shí)施的MMIC電源管理系統(tǒng)允許ADI與我們的客戶合作，為他們提供與自己的系統(tǒng)無縫集成的系統(tǒng)，從而使ADI能夠提升堆棧。對(duì)這些類型的半導(dǎo)體RF放大器系統(tǒng)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。隨著這些系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，隨著我們繼續(xù)創(chuàng)新當(dāng)今基于GaN的高功率放大器管理系統(tǒng)，保護(hù)和控制這些系統(tǒng)所需的數(shù)字控制電子設(shè)備的復(fù)雜性也將繼續(xù)增長(zhǎng)。

審核編輯：郭婷