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用于脉冲雷达的GaN MMIC功率放大器的电源管理

助工
2018-10-15 14:39:42    评分

包含高度集成和高度复杂的高功率射频(RF)GaN功率放大器(PA)的系统,如脉冲雷达应用,对于当今的数字控制和管理系统来说是一个持续的挑战,以跟上这些不断增长的水平。复杂。为了在这个市场中竞争,今天的控制系统必须非常灵活,可重复使用,并且能够轻松适应各种RF放大器架构,这些架构可以根据设计人员的需求进行定制。

这些复杂的管理系统需要创新的补偿算法,内置测试(BIT)功能,本地和远程通信接口,关键系统性能参数和环境条件的监控以及系统故障保护。这些系统的复杂性增加是由于对基于半导体的RF系统的更高功率的需求。

这些高功率系统产生大量热量,这会对放大器性能和平均故障间隔时间(MTBF)产生影响。这些系统所需的RF放大器MMIC是昂贵的高功率器件。因此,客户希望实时监控GaN PA系统的性能和温度。这允许在损坏之前检测即将发生的问题,以便他们可以采取必要的措施来防止它。通过适当的控制电子设计,实现可以非常灵活,可以与任何RF放大器架构一起使用。数字电子产品可根据客户需求量身定制。数字设计可以包括内置保护逻辑,以在接近损坏阈值时禁用GaN RF放大器。这些关键特性对于在宽带宽和温度范围内优化RF性能的需求起着至关重要的作用。它们有助于实现高水平的可测试性,可维护性,易于系统集成和校准,从而提供技术差异化。

今天的半导体RF放大器的复杂性和输出功率不断增加。为了优化性能,管理电源排序,提供故障检测,并提供放大器系统监控和保护,可以使用可重新编程的现场可编程门阵列(FPGA)和/或微控制器来实现电子器件。可重编程解决方案提供了当今高级RF放大器子系统开发所需的灵活性。可重编程性最大限度地降低了电路板重新设计的风险,并且由于设计错误导致延迟计划。这些放大器系统具有相似但不同的要求,这些要求取决于应用。数字控制电子架构专为满足应用要求而定制,通常包括:

  • 数字控制器

  • 非易失性存储器

  • 模数转换器(ADC)

  • 数模转换器(DAC)

  • 数字输入/输出(I / O)

  • 直流电源调节

  • 通讯接口

  • 各种模拟传感器

重用硬件和软件是快速有效地开发设计变体的关键。这些功能减少了工厂测试和校准的时间,并提供了一个重要的诊断工具,有助于调试系统问题。

 

图1.典型的GaN PA控制系统。

 

用于射频放大器的控制系统中的FPGA

ADI RF放大器的大多数控制系统都使用了FPGA。这些器件用途广泛,可包括内部软核或嵌入式处理器。FPGA可以实现多个并行功能,这些功能可以同时独立运行。因此,FPGA能够快速响应命令和关键电路条件,以保护RF电子器件。逻辑功能和算法通常以诸如Verilog或VHDL的硬件描述语言(HDL)来实现。逻辑功能的执行由FPGA内的状态机逻辑控制。状态机控制基于输入和输出条件执行的操作序列。

 

放大器性能的优化

为了优化放大器性能,必须设置栅极电压,以在数据手册中实现放大器指定的电源电流。使用DAC调节栅极电压,同时使用ADC监控功率放大器的电源电流。这些功能提供了快速校准RF放大器栅极电压的能力,而无需探测或修改RF电子器件。增强的电源排序,电源管理,电源监控:FPGA设计可用于对电压调节器和RF放大器进行排序,以最大限度地降低上电电流,并监控和检测放大器和电源故障。FPGA可以通过基于故障状况的检测来关闭系统组件来采取保护措施,或者通过控制接口将状态报告给计算机。

 

温度监控,热管理

温度是高功率放大器系统中RF性能的关键因素。通过监控温度,FPGA可以实现在温度范围内补偿放大器的算法。此外,通过温度监控,FPGA可用于控制冷却系统,如风扇速度,以最大限度地降低性能下降。该逻辑可以检测潜在的破坏性热条件并采取适当的措施。
数字和模拟I / O:FPGA可以控制RF开关,移相器,数字衰减器和电压可变衰减器(模拟衰减器IC)。几乎所有模拟传感器信号都可以通过ADC与FPGA连接。只要感兴趣的信息可以被置于数字格式并连接到FPGA,就可以监视和/或将感兴趣的信息或信号应用于算法以进行处理。

 

控制,计算机接口,图形用户界面(GUI)

这些可能是管理系统最重要的方面,因为它们可以轻松访问放大器系统提供的所有控制,传感器和诊断数据。可以开发GUI以将所有控制和状态信息格式化为易于使用的人机界面。可以开发软件脚本以在整个系统集成和最终测试中促进极高的生产测试覆盖率,校准和故障分析。测试数据可以写入计算机文件或从计算机文件中读取,校准数据可以存储到NVRAM中,以便在运行期间用作补偿算法的变量。除了工厂使用之外,这个功能强大的界面工具可以在现场使用,以监控系统运行状况,确定系统根本原因故障,并提供简单的现场升级控制软件。

 

GaN RF功率放大器用于连续波(CW)模式和脉冲模式应用。从控制的角度来看,脉冲操作更具挑战性,因此这是本次讨论的重点。脉冲RF可以用于通信,医疗和雷达应用,仅举几个例子。脉冲操作具有降低散热的优点,有助于降低对冷却方案的要求,并最大限度地降低系统外部直流电源要求。然而,增加的脉冲重复频率(PRF)与更低的占空比和更快的建立时间要求相结合,继续推动最新技术的发展。我们针对这些苛刻要求的方法是利用数字控制系统来脉冲RF MMIC。现场可编程门阵列通常用于根据系统要求使用栅极或漏极脉冲技术来启用/禁用RF MMIC。FPGA与RF MMIC的控制接口通常包括将电源切换到MMIC漏极的电路,或者与栅极接口的某种形式的模拟或数字到模拟电路。根据开关速度和建立时间要求,当脉冲MMIC时,可能需要电容器组本地存储能量以实现最有效的直流偏置。

图2和图3显示了可用于脉冲RF应用的通用典型电路。FPGA提供脉冲信号的时序控制,并为RF MMIC提供同步状态监控和保护。FPGA可以接收单个脉冲信号并将其分配给一个或多个RF MMIC器件,同时保持紧密的时序关系。

在高功率脉冲应用中栅极脉冲的好处是不需要高直流开关。然而,栅极脉冲可能因栅极电压必须精确且控制良好以优化RF性能而变得复杂。MMIC表征数据通常在单个静态栅极偏置条件下执行 - 其中MMIC性能最佳。MMIC通常不具有脉冲操作的特征。当栅极电压在夹断状态和导通状态之间切换MMIC时,一些MMIC表现出不稳定性。漏极脉冲可能更宽容,并且可能需要更少的MMIC表征数据。必须仔细检查每个脉冲应用的要求,以确定最佳脉冲方法和电路。任何MMIC脉冲应用,栅极或漏极脉冲,

 

图2.典型的门控制方案。

 

图3.典型的漏极开关方案。

 

总结

为了在这个市场中竞争,今天的控制系统必须非常灵活,可重复使用,并且能够轻松适应各种RF放大器架构,这些架构可以根据客户的需求进行定制。它们可以包含内置保护逻辑,以便在接近损坏阈值时禁用RF放大器,并在需要优化宽带宽和工作温度下的RF性能方面发挥关键作用。它们提供高水平的可测试性,可维护性,易于系统集成和校准 - 从而提供与竞争对手的技术差异,从而通过当今的高功率放大器管理系统进行有效创新。

在这些系统中实施的MMIC电源管理系统使ADI能够通过允许ADI与我们的半导体客户合作为其提供与其自身系统无缝集成的系统来提升堆栈。对这些类型的半导体RF放大器系统的需求持续增长。随着这些系统的复杂性不断增加,保护和控制这些系统所需的数字控制电子设备的复杂性也将继续增长,因为我们将继续在当今的高功率GaN基放大器管理系统上进行创新。




关键词: 脉冲雷达     GaN MMIC     功率放大器     电源管理         

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