功率器件
射频PA(Power Amplifier,功率放大器,简称功放)芯片耗电大,可靠性要求高,是无线通信系统中的重要组成部分。随着5G系统频率和功率进一步推高,对射频PA的要求也进一步增强。为此,我们整理了一期材料:《5G射频PA架构》,专门讨论在5G射频PA设计中所采用的主要架构。 在以上材料中,我们讨论到:PA设计中可以依靠“简单功率合成”来进行功率的合并,也可以利用“特殊功率合成”,达到高效率、负载不敏感等设计需求。材料推出去之后,一些朋友发来问题:提升效率只能依靠架构上的改变吗?一些PA没有用到Doherty等复杂的架构,依然取得了不错的效率,是怎么做的呢? 这些问题没有一个简单的答案可以回答。于是我们想,那就不如把PA在高效率设计中的考量讨论的再细节一些:不止是定性的讨论到宏观架构,而是深入到单个PA设计的思考取舍中。 在PA设计的细节考量中,最重要的一个概念就是PA的“类”别了,也即PA的Class。比如我们经常提到的Class A、Class AB、Class E及Class F等。不同Class的PA有不同的特点,我们这份材料就以PA的Class为线,讨论手机射频PA的“高效率(High Efficiency)”设计。
图:PA设计的“类”别分类
随着导通角变小,PA效率由50%逐渐提高至100%
从A类到B类的变化中,导通角的变小并没有引起基波能量的减小
从B类到C类变化中,基波输出功率迅速减小
E类PA的架构看起来与普通的A类、AB类PA并无大的不同,但设计思路却相差很大。E类PA的设计理念是:
首先将晶体管的偏置和驱动功率进行合理设计
然后对输出波形提出一系列约束条件,这些约束条件使晶体管工作于开关状态
基于这些约束条件,就可以计算不同拓扑中器件取值,从而完成设计
E类PA约束条件使作为开关等效的晶体管在合适的时间进行off到on的切换,从而减小开关切换过程中带来的充放电损耗。Sokal教授提出E类PA设计的两个重要约束条件:
当开关从off到on转换的瞬间,漏极电压为零(Zero voltage switching,简称为ZVS)
当开关从off到on转换的瞬间,漏端电压波形的斜率为零(Zero voltage derivative switching,简称ZVDS)
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