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我们周围的空气是从几十 kHz 到几十 GHz 的无线电发射的海洋，发射器的功率水平从毫瓦到兆瓦，用于最大的“长波”广播电台。我们可能都熟悉Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 和许多基于射频的电视遥控器，例如汽车钥匙，但爆炸区域是5G，通常使用 2.5 – 3.7 GHz 频段并扩展到高达 70 毫米波千兆赫。这不仅受到全球个人手机用户激增的推动，还受到物联网 (IoT)连接的推动在家庭、商业和工业环境中。自动驾驶汽车也将加入其中，有报告预测，到 2025 年，来自联网设备的总流量将达到 160 艾字节左右，在某些地方每平方公里超过 100 万。
与早期标准相比，5G 承诺的高达理论上 10-50 Gb/s 的潜在数据速率是由更高的操作频率实现的，但这是以覆盖范围为代价的，在 70 GHz 时约为 1.5 公里。这意味着所有相关的基础设施都需要更多的“单元”。5G 小区分为覆盖类别，从最高功率到最低功率，范围相应缩小：“metro”、“micro”、“pico”和“Femto”。采用多输入多输出 (MIMO)技术的城域小区以超过 100 W 的功率传输，而毫瓦级的毫微微小区运行。
所有单元都包含一个射频功率放大器
所有单元类型的一个共同特征是射频功率放大器，即图 1中的“PA” 。这提供了功率放大，通过接收小的射频信号来驱动天线，从而实现最高的效率和辐射信号水平。在4G及更低频率下，LDMOS 晶体管已被普遍使用，并且能够提供 kW 级输出，但对于较小的分布式 5G 电池的更高频率和更低功率要求，现在首选氮化镓 (GaN)器件，因为它们的损耗更低，大电压处理能力和出色的热性能。
图 1：典型的小区射频部分轮廓
在图 1, PA 级的“功率”被简单地显示，但它是传输的最佳效率和光谱纯度的关键因素。LDMOS PA 通常需要 26-32 V 和 GaN 28-65 V，电源必须能够响应快速负载变化而不会出现明显的过冲和下冲，同时保持其标称电压准确。负载因发射而异，因为发射功率由数据调制，并针对干扰、能量和连接管理进行动态调整。即使使用 GaN，RF PA 效率也只有 60% 左右，因此对于较大的“地铁”电池，PA 电源可能需要能够在 50 V 时提供超过 200 W 或 4 A 的功率。电源总是会切换-mode 类型，因此会产生其自身的噪声，该噪声必须处于非常低的水平，
考虑到所有这些限制，可以采取的一种方法是使用非隔离负载点稳压器或 RF PoL。PoL 可能与在数十或数百安培下产生低于 1 V 电压轨的 CPU 相比更为熟悉，但 RF PA 应用对负载电压精度的要求相同，具有快速动态响应和低噪声。然而，具有高输出电压的 RF PoL 与 CPU 版本的设计不同。它可能是类似的拓扑结构，通常是降压转换器，但较高的输出电压直接影响可达到的效率、器件额定值和控制回路设计。特别是，较高的电压摆幅和高效率所需的快速开关边沿可能会带来噪声问题。
评估 RF PoL 的示例
提供合适的 RF PoL，例如Qorvo的ACT43850. 这是一款采用宽带隙 (WBG) 晶体管的降压控制器，输入范围高达 150 V，输出可编程为 20 至 55 V，额定电流高达 20 A。Qorvo 器件的一个特点是具有高浪涌电流能力，超过 20 A，非常适合 RF PoL 的峰值功率需求。评估此类部件的性能包括检查给定负载的控制回路稳定性，这可以通过测量响应时间和瞬态负载期间的任何过冲或下冲来完成。0 到 20 A+ 不是现实的负载情况，因此在这种大信号环路响应情况下监控输出电压瞬变会产生误导性结果。显示真正小信号响应、验证控制回路稳定性的更现实的设置是应用更高的电流并叠加更小的负载阶跃，例如 20 A 与 2 A 阶跃，具有定制的测试安排。在实践中，由于 20 A 是该部件的峰值额定值，并且由于热原因无法维持，因此可以在适当的占空比下应用 0 A – 20 A – 22 A – 20 A -0 A 的步长，以限制温升.图 2显示了在 Qorvo RF PoL 上使用这些值的示例结果。
图 2：RF PoL 的负载瞬态测试
输出电压为黄色，此处为 0 V – 50 V – 0 V 脉冲，红色曲线为输出电流。这确实显示了从最初的 20 A 开始下降的斜率，但这是交流耦合探头的影响。实际上，它是一个常数 20 A，在图的中间有一个 2 A 的台阶，然后下降到 20 A，然后下降到零。蓝色的 2 A 阶跃的输出电压瞬态持续时间约为 20 µs，偏移约为 150 mV，或仅为 Vout 的 +/-0.3%，这是一个非常值得信赖的性能，+/-5% 更多典型的低压 PoL。这种特殊 RFPoL 的环路响应时间非常快，甚至可以考虑通过其数字接口实现“包络跟踪”。当负载转换为 0 – 20 A 和 20 A – 0 A 且偏移远非对称时，可以看到大信号响应的演示。在正向负载阶跃上，它阻尼不足但速度很快，而在负向阶跃上，它对波形的异常“扭结”响应更阻尼但更慢。这表明控制环路在其线性范围之外运行，可能会使误差放大器暂时饱和，然后需要时间重新建立正确的运行偏置。在测试的 Qorvo 部件的情况下，这具有同步整流功能，因此不对称不是由降压工作模式的变化或不连续和连续导通引起的。它对波形的异常“扭结”响应更阻尼但更慢。这表明控制环路在其线性范围之外运行，可能会使误差放大器暂时饱和，然后需要时间重新建立正确的运行偏置。在测试的 Qorvo 部件的情况下，这具有同步整流功能，因此不对称不是由降压工作模式的变化或不连续和连续导通引起的。它对波形的异常“扭结”响应更阻尼但更慢。这表明控制环路在其线性范围之外运行，可能会使误差放大器暂时饱和，然后需要时间重新建立正确的运行偏置。在测试的 Qorvo 部件的情况下，这具有同步整流功能，因此不对称不是由降压工作模式的变化或不连续和连续导通引起的。
输出噪声在 RF PoL 应用中至关重要
在开关稳压器输出上准确测量高频噪声总是很困难。共模和差模元件结合起来，拾取失真结果。对于 RF PA 应用，实际上重要的是传输信号的纯度和相关的“杂散”水平——载波频率周围的外来线路发射。因此，使用频谱分析仪测量转换器在实际工作条件下的频谱噪声密度是一个更好的比较指标。以全峰值功率运行的 RF PoL 必须交流耦合到典型的 50 欧姆分析仪输入。例如，这是通过使用具有接近零电容的无源高频、高阻抗探头来完成的，以避免电路负载和探头谐振引起的噪声峰值。
探头通常可能具有 x20 衰减，因此需要一个前置放大器来将信号显着提高到频谱分析仪本底噪声之上并匹配其 50 欧姆阻抗。探头、前置放大器和分析仪之间的电缆应经过验证，并包含在测试设置的任何校准程序中。这可以通过已知的精确噪声源来促进，以确保结果可信。图 3中描述并显示了合适的校准和测试设置。
图 3：为 RF PoL 设置的精确噪声测量测试
典型结果如图 4 所示，下图叠加了来自测试设置的本底噪声，显示了良好的测试裕度。
图 4a/4b：典型 RF PoL 的噪声频谱功率密度图
尽管与图 4 的曲线无关，但 RFPoL 噪声对 RF 传输频谱的典型影响可以在图 5的示例中看到，PoL开关频率“杂散”在 500 kHz 处引入，大约低于 67 dBm倍数更低的承运人。
图 5：显示 RF PoL 开关噪声“杂散”的典型电池输出频谱。
PoL 噪声输出可以通过时钟频率“抖动”技术进行修改，以扩展和减少噪声频谱中的峰值——这一功能可以通过I2C和 GUI在Qorvo PoL中远程启用。PoL 时钟与外部信号同步也可以避免不确定的“跳动”效应。
结论
RF PA 级的直流电源对于获得最佳性能至关重要。在验证负载瞬态响应和输出噪声水平时，专为该应用设计的负载点转换器可能是一个很好的解决方案。RF PoL 在医疗、测量、激光电源等领域也存在其他潜在应用。
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