如何实现RF应用的超快电源瞬态响应

本文介绍了在无线（尤其是RF）应用中实现超快电源瞬态响应的实用方法。它旨在解决系统设计人员因电源瞬态消隐周期而导致信号处理效率低的挑战。针对不同的应用提供了示例解决方案。推出静音切换器 3 单片电源系列，以实现最佳瞬态性能。®

介绍

信号处理单元和片上系统 （SoC） 单元通常具有突然变化的负载瞬态曲线。这种负载瞬态将导致电源电压受到干扰，这在射频（RF）应用中至关重要，因为时钟频率将受到变化电源电压的高度影响。因此，RFSoC 通常在负载瞬变期间应用消隐时间。在5G应用中，信息质量与过渡期间的这个消隐期高度相关。因此，越来越需要最小化电源侧的负载瞬态影响，以提高任何RFSoC系统的系统级性能。本文将介绍RF应用中用于在电源设计中实现快速瞬态响应的几种方法。

适用于射频应用的快速瞬态静音切换器 3 系列

实现快速瞬态电源轨的最直接方法之一是选择具有快速瞬态性能的稳压器。静音开关 3 系列 IC 具有极低频率输出噪声、快速瞬态响应、低 EMI 辐射和高效率。它采用超高性能误差放大器设计，即使采用激进补偿也能提供额外的稳定性。4 MHz的最大开关频率使IC能够在固定频率峰值电流控制模式下将控制环路带宽推至百kHz中范围。表1列出了设计人员为实现快速瞬态性能而选择的静音开关3 IC。

表 1.静音切换器 3 系列参数

 

部件号	当前水平	包	额定温度	特征
LT8625S	8 安培	20 引脚、 4 mm × 3 mm LQFN	125°C	超低噪声，快速瞬态
LT8625SP	8 安培	20 引脚、 4 mm × 3 mm LQFN	150°C	超低噪音、快速瞬态、顶部冷却
LT8625SP-1	8 安培	24 引脚、 4 mm × 4 mm LQFN	150°C	超低噪音、快速瞬态、顶部冷却
LT8627SP	16 安培	24 引脚、 4 mm × 4 mm LQFN	150°C	超低噪音、快速瞬态、顶部冷却

 

图1显示了用于5G RFSoC的典型1 V输出电源，基于LT8625SP，该电源同时需要快速瞬态响应和低纹波/噪声水平。1 V负载由发送/接收相关电路以及本振（LO）和压控振荡器（VCO）组成。发射/接收负载在频分双工（FDD）操作中会看到负载电流的突然变化。同时，LO/VCO需要恒定负载，但需要关键的高精度和低噪声。LT8625SP的高带宽特性使设计人员能够使用第二个电感（L2）分离动态负载和静态负载，从而从单个IC为两个关键的1 V负载组供电。图2显示了4 A至6 A动态负载瞬变时的输出电压响应。动态负载在峰峰值电压小于0.8%时在5 μs内恢复，从而最大限度地减少了峰峰值电压小于0.1%时对静态负载侧的影响。该电路可以修改以适应其他输出组合，如0.8 V和1.8 V，由于低频范围内的超低噪声、低电压纹波和超快瞬态响应，这些组合都可以直接为RFSoC负载供电，而无需LDO稳压器级。

图2.负载瞬态响应快速，最小V外偏差，不会影响静载荷。

在时分双工（TDD）模式下，噪声关键LO/VCO随着发送/接收模式的变化而加载和卸载。因此，可以使用图3所示的简化电路，因为所有负载都被视为动态负载，而需要更关键的后滤波来维持LO/VCO的低纹波/低噪声特性。馈通模式下的 3 端子电容器可用于实现足够的后滤波，具有最小的等效 L，从而在负载瞬变时保持快速带宽。馈通电容器与远端输出电容器一起形成另外两个LC滤波器级，而所有L都来自3端子电容器的ESL，这非常小，对负载瞬变的危害较小。图 3 还显示了静音切换器 3 系列的简单遥感连接。由于独特的参考生成和反馈技术，只需将SET引脚电容器（C1）的接地和OUTS引脚连接到所需的远程反馈点。此连接不需要电平转换电路。图4显示了1 A负载瞬态响应波形，恢复时间为<5 μs，输出电压纹波<1 mV。

图4.馈通电容器可增强瞬态响应，同时保持最小的输出电压纹波。

预充电信号驱动静音切换器 3 系列，实现快速瞬态响应

在某些情况下，信号处理单元功能强大，具有足够的GPIO，并且信号处理可以很好地安排，因为可以提前知道瞬态事件。这通常发生在一些FPGA电源设计中，其中可以生成预充电信号以帮助为电源瞬态响应供电。图5示出了一个典型的应用电路，该电路使用FPGA产生的预充电信号在实际负载转换发生之前提供偏置，以便LT8625SP可以有额外的时间来适应负载干扰，而不会产生太大的电压。外偏差和恢复时间。从FPGA的GPIO到逆变器输入的调谐电路已被省略，因为预充电信号对反馈起到干扰作用。电平控制在35 mV。此外，为了避免预充电信号对稳态的影响，在预充电信号和OUTS之间实现了高通滤波器。图6显示了1.7 A至4.2 A负载瞬态响应波形。预充电信号在实际负载瞬变之前施加到反馈（OUTS），而恢复时间不到5 μs。

图6.LT8625SP 反馈受预充电信号和负载瞬态的影响，可实现快速恢复时间。

电路上的主动垂动，用于超快恢复瞬态

在波束成形器应用中，电源电压一直在变化，以适应不同的功率水平。因此，电源电压的精度要求通常为5%至10%。在此应用中，稳定性比电压精度更重要，因为负载瞬态期间的恢复时间最小化将最大限度地提高数据处理效率。下垂电路非常适合此应用，因为下垂电压将减少甚至消除恢复时间。图7显示了LT8627SP的有源下垂电路原理图。在误差放大器的负输入（OUTS）和输出（VC）之间增加了一个额外的下垂电阻，以在瞬态期间保持反馈控制环路中的稳态误差。下降电压可以表示为：

图7.LT8627SP 在 OUTS 和 VC 之间放置了一个有源下垂电阻器，以实现快速瞬态恢复时间。

而 ∆V外是负载瞬变引起的初始电压变化，∆I外是负载瞬态电流，g是用于开关电流增益的VC引脚。在设计图7所示的下垂电路时，需要特别考虑：

下降电流不应超过VC引脚电流限值。对于LT8627SP的误差放大器输出，将电流限制在200 μA以下以避免饱和是合适的，这可以通过改变R7和R8值来实现。

下降电压需要适应输出电容，以便瞬态期间的电压偏差与下降电压处于相似的水平，以实现瞬态期间的最小恢复时间。

图8显示了上述电路在1 A至16 A至1 A负载瞬变期间的典型波形。值得注意的是，现在16 A至1 A负载瞬态速度不再受到带宽的限制，而是受到稳压器最小导通时间的限制。

图8.可实现下垂瞬态响应，以最大限度地缩短LT8627SP的瞬态恢复时间。

结论

由于高速信号处理的时间关键性，无线RF场越来越依赖于计算，并且对瞬态响应时间越来越敏感。系统设计工程师面临的挑战是提高电源瞬态响应速度，从而最大限度地缩短消隐时间。静音开关 3 系列是下一代单片稳压器，针对无线、工业、国防和医疗保健领域的噪声敏感型、密集型动态负载瞬态解决方案进行了优化。根据负载条件，可以应用特殊技术和电路来进一步改善瞬态响应。