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USB供電、915 MHz ISM無(wú)線電頻段、具有過(guò)溫管理功能的1 W功率放大器

2020-12-28 13:18:53 ADI公

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電路功能與優(yōu)勢(shì)

國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)分配了免許可的915 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)無(wú)線電頻段供區(qū)域2使用，該區(qū)域在地理上由美洲、格陵蘭島和一些東太平洋群島組成。在該區(qū)域內(nèi)，多年來(lái)無(wú)線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步使此頻段在短距離無(wú)線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。該ISM頻段對(duì)應(yīng)用和占空比沒(méi)有任何限制，常見(jiàn)用途包括業(yè)余無(wú)線電、監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)以及射頻識(shí)別(RFID)。

但是，無(wú)論何種應(yīng)用，該頻段中的無(wú)線電傳輸都要求信號(hào)鏈電路之后有一個(gè)放大器模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)天線。在美國(guó)，根據(jù)FCC的規(guī)定，對(duì)于使用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)或跳頻擴(kuò)頻(FHSS)的50通道無(wú)線電系統(tǒng)，以及對(duì)于使用FHSS的少于50個(gè)通道的無(wú)線電系統(tǒng)，采用915 MHz ISM頻段的擴(kuò)頻發(fā)射機(jī)的最大峰值輸出功率分別為36 dBm和30 dBm。

圖1.CN-0522簡(jiǎn)化功能框圖

電路描述

工作在915 MHz ISM頻段

電路的RF輸入信號(hào)必須通過(guò)表面聲波(SAW)濾波器，以將驅(qū)動(dòng)放大器的輸入限制為902 MHz至928 MHz頻段。選擇濾波器時(shí)，必須在帶內(nèi)平坦度和帶外抑制之間取得平衡。在選擇過(guò)程中，應(yīng)注意SAW濾波器也是插入損耗的來(lái)源，它會(huì)降低信號(hào)鏈的總增益。
該參考設(shè)計(jì)所用的SAW濾波器的典型最大插入損耗為2.9 dB，端接阻抗為50Ω。

放大器

ADI公司的兩級(jí)RF功率放大器 ADL5605的工作頻率范圍為700 MHz至1 GHz，典型增益為23.0 dB，最小噪聲系數(shù)為4.7 dB，從881 MHz±13 MHz開(kāi)始的最小輸出三階交調(diào)截點(diǎn)(IP3)為43.4 dBm。

有源偏置已集成在ADL5605中，只需將5 V電壓施加于VBIAS引腳并通過(guò)RF扼流電感(L1)施加于RFOUT引腳，便可設(shè)置兩個(gè)放大器級(jí)的最優(yōu)偏置點(diǎn)。建議使用18 nH的電感，因?yàn)檫@也會(huì)為915 MHz ISM頻段提供一定的輸出匹配。為了濾除電源線上的RF信號(hào)和高頻噪聲，ADL5605的輸出級(jí)偏置以及VCC和VBIAS引腳上均需要三個(gè)去耦電容。

圖2.ADL5605功能框圖

阻抗匹配

對(duì)于915 MHz ISM頻段，ADL5605的RFIN引腳上不需要外部匹配元件。同時(shí)，使用微帶線作為電感，并連接一個(gè)額外的串聯(lián)電感(L2)和一個(gè)并聯(lián)電容(C_OUT)，即可將其RFOUT引腳輕松匹配至50Ω。RFIN和RFOUT引腳均需要外部隔直流電容。

圖3.ADL5605 RFOUT匹配參數(shù)

根據(jù)ADL5605數(shù)據(jù)手冊(cè)，當(dāng)放大器的工作頻率高于868 MHz時(shí)，L2和C OUT的推薦值分別為1.6 nH和8.0 pF。這些元件的正確布局對(duì)于匹配至關(guān)重要。然而，在Keysight Advanced Design System (ADS)軟件中對(duì)該參考設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真得到的建議元件間距值為：λ1 = 94.5 密耳，λ2 = 240 密耳（與925 MHz至961 MHz頻段相同，參見(jiàn)ADL5605數(shù)據(jù)手冊(cè)）。這些值是從元件中心測(cè)量到放大器的邊緣。

小信號(hào)性能和相位噪聲

該設(shè)計(jì)產(chǎn)生的S參數(shù)和相位噪聲測(cè)量結(jié)果如圖4和圖5所示。在915 MHz的中心頻率，該電路實(shí)現(xiàn)了20 dB的增益，輸入和輸出回波損耗分別大于11 dB和6 dB。該系統(tǒng)的相位噪聲很低，在10 kHz和100 kHz的頻率偏移時(shí)，相位噪聲值低于-110 dBc/Hz；在1 MHz和10 MHz的頻率偏移時(shí)，相位噪聲值分別低于-130 dBc/Hz和-140 dBc/Hz。

圖4.輸入回波損耗(S11)、反向隔離(S12)、正向增益(S21)、輸出回波損耗(S22)與頻率的關(guān)系

圖5.相位噪聲與頻率偏移的關(guān)系（915 MHz輸入）

設(shè)計(jì)的輸出功率(P_OUT)與輸入功率(P_IN)的關(guān)系圖如圖6所示，確認(rèn)在大約11 dBm的輸入電平下實(shí)現(xiàn)了1 W的最大輸出電平。

圖6.P_OUT與P_IN的關(guān)系（915 MHz輸入）

此設(shè)計(jì)的RF輸入以SAW濾波器或放大器的最大額定值（以較低者為準(zhǔn)）為限。使用默認(rèn)板載SAW濾波器時(shí)，電路的最大輸入為15 dBm。ADL5605本身可以處理高達(dá)20 dBm的輸入。

過(guò)溫管理

利用ADI公司的 ADT6402溫度開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)溫管理功能以監(jiān)視板溫度，在其達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)禁用放大器，從而讓EVAL-CN0522-EBZ冷卻。該溫度傳感器的精度很高，典型額定值為±0.5°C（最大值為+6°C，從-45°C到+ 115°C），在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)都能保持高精度和線性度，無(wú)需用戶校準(zhǔn)或校正。

圖7.ADT6402功能框圖

S0、S1和S2引腳的狀態(tài)選擇ADT6402的溫度斷路點(diǎn)和遲滯。CN-0522的引腳S2硬連線至VCC，而引腳S0和S1可利用焊接跳線JP1和JP2連接至V_CC或GND（或保持浮空）。這些引腳配置將溫度斷路點(diǎn)和遲滯選項(xiàng)限制為表1所列的選項(xiàng)。

由于ADL5605的散熱特性良好，建議將斷路點(diǎn)設(shè)置為至少95°C。

ADT6402具有一個(gè)高電平有效推挽輸出(TOVER/TUNDER)，該輸出在溫度測(cè)量值超過(guò)斷路點(diǎn)時(shí)使能。TOVER/TUNDER通過(guò)緩沖門(mén)連接到ADL5605的DISABLE引腳，當(dāng)溫度開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)，放大器關(guān)斷，只有在系統(tǒng)冷卻到斷路點(diǎn)以下的溫度（加上遲滯）之后才再次開(kāi)啟。緩沖門(mén)確保放大器(ADL5605)的DISABLE引腳的5 V邏輯電平和1.4 mA電流要求得到滿足。

為了獲得最佳性能，必須使ADT6402的GND引腳和熱源的GND引腳的熱阻最小。因此，ADT6402安裝在EVAL-CN0522-EBZ的背面，靠近連接至ADL5605裸露焊盤(pán)的散熱通孔。

布局考慮

功率放大器在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此必須特別注意電路的散熱。為了減輕功耗影響，EVAL-CN0522-EBZ設(shè)計(jì)有三層厚的接地層，并在ADL5605周圍和下方布置了多個(gè)散熱通孔。

在Cadence^® Sigrity^™ PowerDC^™軟件中對(duì)CN-0522設(shè)計(jì)進(jìn)行的仿真表明，在正常工作期間，放大器周圍的印刷電路板(PCB)溫度接近85°C。為了實(shí)現(xiàn)較小尺寸，沒(méi)有在板上增加用于放置散熱器的條件。但是，CN-0522設(shè)計(jì)有過(guò)溫管理功能，可將EVAL-CN0522-EBZ溫度保持在系統(tǒng)性能最佳的水平。此特性還能防止ADL5605芯片達(dá)到其最高結(jié)溫。

圖8.CN-0522 PCB熱仿真（主面）

使用LTM8045進(jìn)行USB電源管理

CN-0522的電源通過(guò)microUSB端口供應(yīng)，并由LTM8045 μModule調(diào)節(jié)。這個(gè)小型、獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化了穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)，因?yàn)樗呀?jīng)包括了電流模式控制器和用于低噪聲放大器電源的功率器件。

該設(shè)計(jì)在正常工作期間大約需要307 mA電流，主要由ADL5605消耗（ADT6402僅需要30μA）。但請(qǐng)注意，ADL5605在較高輸出電平下會(huì)消耗更多電源電流。例如，根據(jù)ADL5605數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，輸出為30 dBm時(shí)，電流消耗大于560 mA。CN-0522中使用的所有有源器件僅需要5 V單直流電源。

配置為單端初級(jí)導(dǎo)體(SEPIC)時(shí)，LTM8045的輸出電壓由V_OUT+和FB引腳之間的反饋電阻(R_FB)的值設(shè)置，該電阻值通過(guò)公式1計(jì)算。

其中：
R_FB 為反饋電阻，單位為kΩ。
V_OUT 為期望輸出電壓，單位為V。
對(duì)于5 V的輸出電壓，該公式得出的R_FB值為45.3kΩ，在CN-0522中實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)并聯(lián)的60.4kΩ和182kΩ電阻，以提供兩條反饋路徑（參見(jiàn)圖9）。

圖9.LTM8045配置為5 V SEPIC（V_OUT側(cè)）

為使LTM8045開(kāi)關(guān)瞬變引入的噪聲最小，穩(wěn)壓輸出通過(guò)一個(gè)阻尼LC濾波器和一個(gè)鐵氧體磁珠。該濾波器用于抑制80 MHz至150 MHz的開(kāi)關(guān)噪聲。圖10顯示了LTspice^®中仿真的LTM8045輸出噪聲的FFT圖。

圖10.使用LTspice得到的LTM8045輸出噪聲FFT圖

LTM8045的開(kāi)關(guān)頻率由RT引腳和GND之間的外部電阻設(shè)置，電阻值通過(guò)公式2計(jì)算。

其中：
R_T 為外部電阻，單位為kΩ。
f_OSC為期望開(kāi)關(guān)頻率，單位為MHz。
對(duì)于5 V的輸入和輸出電壓電平，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，LTM8045的最佳開(kāi)關(guān)頻率為800 kHz。將此值代入公式2中的f_OSC，可計(jì)算出外部電阻值為115 kΩ。對(duì)于該配置，推薦的輸入和輸出電容分別為4.7μF和100μF。

圖11.LTM8045配置為5 V SEPIC（V_IN側(cè)）

為了限制啟動(dòng)期間來(lái)自電源的浪涌電流，LTM8045設(shè)計(jì)有軟啟動(dòng)功能，該功能使用SS和GND之間的外部電容實(shí)現(xiàn)。要計(jì)算軟啟動(dòng)時(shí)間，請(qǐng)使用公式3。

其中：
t_SS 為軟啟動(dòng)時(shí)間，單位為秒。
C_SS為外部電容，單位為μF。

此設(shè)計(jì)使用兩個(gè)并聯(lián)連接的0.1μF電容作為軟啟動(dòng)電容，因此軟啟動(dòng)時(shí)間約為367 ms。

常見(jiàn)變化

如果不需要1 W的功率水平，HMC450可以用作915 MHz ISM頻段的替代驅(qū)動(dòng)放大器。與ADL5605相比，HMC450具有更高的增益、噪聲系數(shù)和輸入回波損耗，但代價(jià)是輸出匹配要求更高，并且輸出IP3和輸出1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB)較低。HMC450的飽和輸出電平僅為700 mW左右。

如果使用HMC450，則溫度開(kāi)關(guān)必須替換為ADT6401，其與ADT6402引腳兼容且有相同的規(guī)格，但輸出為低電平有效輸出。

ADI公司還提供類似的用于在2.45 GHz ISM頻段中進(jìn)行傳輸?shù)姆糯笃髟O(shè)計(jì)。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱電路筆記CN-0417。

電路評(píng)估與測(cè)試

本節(jié)介紹用于測(cè)試CN-0522的S參數(shù)和相位噪聲的設(shè)置和步驟。
有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱CN-0522用戶指南。

圖12.EVAL-CN0522-EBZ頂視圖

圖13.EVAL-CN0522-EBZ底視圖

設(shè)備要求

進(jìn)行測(cè)試需要如下設(shè)備：

EVAL-CN0522-EBZ
Keysight® E5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
Rohde & Schwarz® SMA100A信號(hào)發(fā)生器
Rohde & Schwarz FSUP信號(hào)源分析儀
5 V交流/直流USB電源適配器
USB A型轉(zhuǎn)microUSB電纜
SMA電纜
20 dB衰減器（選配），用于信號(hào)源分析儀的輸入保護(hù)

設(shè)置與測(cè)試

要測(cè)量S-參數(shù)，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：
1. 將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為所需的測(cè)量條件。頻率范圍必須設(shè)置為包括902 MHz至928 MHz頻段，而源電平必須設(shè)置為0 dBm。
2. 使用校準(zhǔn)套件對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行完整的2端口校準(zhǔn)。請(qǐng)注意，EVAL-CN0522-EBZ的RF輸入(J1)可以直接連到測(cè)試端口，因此測(cè)試設(shè)置僅需要一根測(cè)量電纜。
3. 使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0522-EBZ供電。
4. 使用校準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)置將EVAL-CN0522-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口上。
5. 將測(cè)量值設(shè)置為所需的S參數(shù)。
6. 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上執(zhí)行自動(dòng)縮放功能。如果需要，隨后可調(diào)整比例。

圖14.S參數(shù)測(cè)量設(shè)置

要測(cè)量相位噪聲，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：
1. 將信號(hào)源分析儀設(shè)置為所需的測(cè)量配置。
2. 將信號(hào)發(fā)生器的輸出設(shè)置為915 MHz的頻率和0 dBm的電平。
3. 如果設(shè)備可以處理放大器輸出（0 dBm輸入時(shí)約為20 dBm），請(qǐng)參考信號(hào)源分析儀數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大輸入電平。如有必要，將衰減器連接到信號(hào)源分析儀的輸入。
4. 使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0522-EBZ供電。
5. 將信號(hào)發(fā)生器的輸出連接到EVAL-CN0522-EBZ的RF輸入(J1)。
6. 將EVAL-CN0522-EBZ的RF輸出(J2)連接到信號(hào)源分析儀。
7. 在信號(hào)源分析儀上執(zhí)行測(cè)量運(yùn)行。