氮化镓场效应晶体管与硅功率器件比拼 之 包络跟踪

用于射频（RF）放大器的包络跟踪（ET） 并不是一个全新的概念，但随着我们需要移动电话具备更长的电池寿命、基站需具备更高电源效率，以及昂贵的射频传送器需要实现更大输出功率，使用包络跟踪来 改善射频功放（PA）系统的效率逐渐成为了研发的重要议题。包络跟踪能否提高效率关键在于功放的峰值与平均功率比（PAPR）的要求。图1展示了在使用固 定的供电电压时，功放的峰值效率可以高达65%，但由于给定的峰均比（PAPR）高达10，因此，平均效率有可能低于25%。通过调制功放的供电电压，可 改善功放平均效率达50%以上——相当于效率增长达一倍和减少功放损耗达三分之二。这样不仅降低功耗，也降低操作成本，并满足散热及尺寸等各方面的要求。

图1：理想功放效率与使用固定供电电压时输出功率及包络跟踪工作时的比较。

但如何能够产生所要求的快速变化、带宽处于数十兆赫兹（MHz）范围的供电电压？我们可以通过不同的方法来实现。其中一个方法是使用如图2所示的混合式线性 放大器和多相降压转换器，其中降压转换器只给负载组件/系列的傅里叶大功率、低频部分供电。我们也有讨论其他实现方法，如使用升压转换器或S类放大器。无论使用哪一个方法，氮化镓技术可以推动包络跟踪转换器和宽带RFPA设计。

图2：在射频功率放大器作包络跟踪供电时，实现线性辅助开关。

实现多相降压转换器通常要求开关频率与所需ET带宽相比高出5至10倍，不过对通过混合解决方案和/或非线性控制来提升转换器有效带宽的研究表明，这种方法可以显著降低所需的降压转换器开关频率。为了达到可接受的效率和带宽，仍然有可能要求使用大量的交织相位。本文展示氮化镓场效应晶体管并配合LM5113半桥驱动器可容易地实现的功率及效率。

实验装置

要实现包络跟踪需要高PAPR比，这也意味着平均输出电压通常在降压转换器供电电压范围的30%至50%之间，并允许在这个平均值以上及以下有短暂的漂移时间。因此，作为演示用途，可以使用具有相同占空比的稳态降压转换器来确定多相包络跟踪降压转换器对效率和热性能的要求，这个可以进一步简化为对单相评估，因为所有相数都是完全相同的。

表1列出了该实验装置的规格，而图3以图像展示该设置。这些规格代表基于高压LDMOS的数字视频广播 （DVB）发射机所使用的大功率包络跟踪降压开关的要求，例如包络跟踪专家Nujira所使用的规格。图3展示了在满功率时每个元件的功率损耗估值，包括PCB内部的传导损耗。

表1：给包络跟踪应用的实验性高频降压转换器规格。