搞定電路設計之防過(guò)熱的USB供電433.92MHz RF功率放大器
國際電信聯(lián)盟(ITU)將433.92MHz工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)(ISM)頻段分配給1區使用,該區域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。盡管最初旨在用于無(wú)線(xiàn)電通信之外的應用,但多年來(lái)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和標準的進(jìn)步使得ISM頻段在短距離無(wú)線(xiàn)通信系統中頗受歡迎。
ITU 1區的運營(yíng)商無(wú)需為使用433.92MHz頻段獲得許可,常見(jiàn)應用包括軟件定義無(wú)線(xiàn)電、醫療設備和重型機械的工業(yè)無(wú)線(xiàn)電控制系統。在美國,433.92MHz頻段由獲得許可的業(yè)余無(wú)線(xiàn)電臺使用。
任何無(wú)線(xiàn)電傳輸應用都需要高增益放大器來(lái)驅動(dòng)天線(xiàn)。根據應用要求,這可以通過(guò)一級或多級實(shí)現;輸出功率值越高,RF傳輸距離越長(cháng)。為了實(shí)現最佳頻率響應,設計中必須考慮幾個(gè)因素,例如適當的阻抗匹配、濾波和熱管理。
圖1所示電路是ADI的一個(gè)雙級RF放大器模塊,針對工作在433.92MHz ISM頻段的發(fā)射信號鏈進(jìn)行了優(yōu)化。在中心頻率,電路產(chǎn)生大約+35.8dB的增益。RF輸入和輸出端口采用50Ω阻抗匹配設計,支持電路與標準50Ω系統之間的直接連接。
圖1.ADI CN0551簡(jiǎn)化功能框圖
為防止過(guò)熱,當達到用戶(hù)定義的溫度跳變點(diǎn)時(shí),溫度監視開(kāi)關(guān)電路會(huì )禁用RF放大器。當溫度降至滯回設定點(diǎn)以下時(shí),該開(kāi)關(guān)電路也會(huì )自動(dòng)使能放大器。
評估和設計支持
? 電路評估板
- CN0551電路評估板(EVAL-CN0551-EBZ)
? 設計和集成文件
- 原理圖、布局文件、物料清單
電路描述
工作在433.92 MHZ ISM頻段
ADI CN0551的RF信號首先通過(guò)聲表面波(SAW)濾波器,然后通過(guò)增益級,這有助于消除不需要的帶外放大。選擇濾波器時(shí),必須在頻帶平坦度和帶外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個(gè)插入損耗源,它會(huì )降低信號鏈的整體增益,選擇時(shí)需要仔細考慮。
該參考設計所用的SAW濾波器的典型最大插入損耗為2dB,端接阻抗為50Ω。
放大器級
ADI CN0551的RF信號路徑中使用兩個(gè)放大器級。第一級是AD8353 RF增益塊放大器,它在433.92MHz ISM頻段提供19.6dB(典型值)的固定增益。AD8353的工作頻率范圍為1MHz至2.7GHz,在整個(gè)頻率范圍內的回波損耗大于10dB。
AD8353的RF引腳內部匹配50Ω,因此它能直接集成到標準RF信號路徑中,而無(wú)需外部匹配網(wǎng)絡(luò )。如圖2所示,只需要RF引腳上有隔直電容且電源引腳上有旁路電容,AD8353便能正常工作。表1列出了這些電容的推薦值。
圖2.AD8353連接圖
表1.AD8353電容值
功能/元件 |
元件值 |
交流耦合電容 |
|
CIN |
1000pF |
COUT |
1000pF |
旁路電容 |
|
CBYP1 |
100pF |
CBYP2 |
0.47μF |
ADL5324 RF驅動(dòng)放大器用作設計的第二級。該器件的工作頻率范圍為400MHz至4GHz,典型增益為18.2dB,典型噪聲系數為6.8dB,從433.05MHz到434.79MHz的典型輸出三階交調截點(diǎn)(OIP3)為38.4dBm。
只需通過(guò)RF扼流圈向RFOUT引腳施加+5V電壓,即可設置ADL5324的偏置點(diǎn)。建議使用120nH的電感,因為這也會(huì )為433.92MHz ISM頻段提供一定的輸出匹配。為了濾除電源線(xiàn)上的RF信號和高頻噪聲,ADL5324的輸出級偏置需要三個(gè)解耦電容。圖3顯示了RF輸出級上偏置電感和電容的正確配置。
圖3.ADL5324直流偏置電感和電容
ADL5324的阻抗匹配
為實(shí)現最優(yōu)性能,ADL5324需要外部匹配網(wǎng)絡(luò ),以便針對所需頻段調諧阻抗。輸入匹配網(wǎng)絡(luò )包括電感(LIN)和電阻(RIN),其與RFIN引腳和分流電容(CIN)串聯(lián)放置。同樣,輸出匹配網(wǎng)絡(luò )也使用串聯(lián)電感(LOUT)和分流電容(COUT)。RFIN和RFOUT引腳也需要外部隔直電容。圖4展示了ADL5324的完整阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )。
圖4.ADL5324外部匹配網(wǎng)絡(luò )
對于A(yíng)DL5324數據手冊中列出的420MHz至494MHz調諧頻帶,CN0551參考設計使用類(lèi)似的元件值。推薦值請參閱表2。
這些元件的正確布局對于匹配也很重要。因此,CN0551遵循ADL5324數據手冊中針對420MHz至433.92MHz調諧頻帶的推薦值。
這些值是從元件中心測量到放大器的邊緣。
表2.ADL5324外部阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )元件值
功能/元件 |
元件值 |
交流耦合電容 |
|
CAC1 |
10pF |
CAC2 |
20pF |
調諧電容 |
|
CIN |
20pF |
COUT |
6.2pF |
調諧電感 |
|
LIN |
1.6nH |
LOUT |
5.6nH |
跳線(xiàn) |
|
RIN |
2Ω |
元件間距 |
|
λ1 |
419mil |
λ2 |
438mil |
λ3 |
248mil |
λ4 |
311mil |
RF性能
CN0551產(chǎn)生的S參數、相位噪聲測量結果和穩定性指標如圖5、圖6和圖7所示。
在433.92MHz的中心頻率,CN0551實(shí)現了35.8dB的增益。該系統的相位噪聲很低,在10kHz和100kHz的頻率偏移時(shí),相位噪聲值約為-145dBc/Hz;在1MHz的頻率偏移時(shí),相位噪聲值為-130dBc/Hz。當頻率偏移高于1MHz時(shí),相位噪聲值保持在-130dBc/Hz以下。
系統在整個(gè)433.92MHz ISM頻段保持穩定,Rollet穩定性因子(k)高于1,輔助穩定性指標(B1)高于0。
圖5.S參數與頻率的關(guān)系
圖6.相位噪聲與頻率偏移的關(guān)系(433.92MHz輸入)
圖7.穩定性測量與頻率的關(guān)系
圖8顯示了CN0551的輸出功率(POUT)與輸入功率(PIN)的關(guān)系圖。使用CN0551上安裝的默認SAW濾波器,-3dBm輸入產(chǎn)生最大½W的輸出功率。絕對最大輸入功率為+10dBm。不建議在高于此輸入電平的情況下操作電路,以免造成損壞。
圖8.POUT與PIN的關(guān)系(433.92MHz輸入)
過(guò)溫管理
CN0551上實(shí)現了過(guò)溫管理特性,當電路板溫度達到預設閾值時(shí),放大器電路會(huì )自動(dòng)禁用。一旦溫度降至滯回設定點(diǎn)以下,CN0551放大器就會(huì )自動(dòng)使能。該特性通過(guò)ADT6401溫度開(kāi)關(guān)的開(kāi)漏輸出(TOVER/TUNDER)實(shí)現,它會(huì )監視ADL5324附近的溫度并將其與引腳可編程跳變點(diǎn)進(jìn)行比較。
引腳S0、S1和S2的狀態(tài)選擇ADT6401的溫度跳變點(diǎn)和滯回。表3列出了CN0551上可用的溫度跳變點(diǎn)和滯回設置。
表3.選擇ADT6401跳變點(diǎn)和滯回
S0 |
S1 |
溫度跳變點(diǎn) |
滯回 |
0 |
0 |
+65°C |
10°C |
1 |
0 |
+75°C |
10°C |
浮空 |
0 |
+85°C |
10°C |
0 |
1 |
+95°C |
10°C |
1 |
1 |
+105°C |
10°C |
浮空 |
1 |
+115°C |
10°C |
0 |
浮空 |
+5°C |
2°C |
1 |
浮空 |
-5°C |
2°C |
浮空 |
浮空 |
-15°C |
2°C |
默認情況下,CN0551參考設計使用+95°C跳變點(diǎn)和+10°C滯回設置。
ADL5324沒(méi)有可由ADT6401輸出直接控制的內部關(guān)斷特性,因此該功能必須通過(guò)開(kāi)關(guān)電路在外部實(shí)現。在CN0551中,這是通過(guò)ADG901 RF開(kāi)關(guān)和ADP196功率開(kāi)關(guān)完成的,這兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以斷開(kāi)ADL5324的RF輸入和直流偏置。利用ADT6401輸出可以同時(shí)接通或斷開(kāi)這兩個(gè)器件,如圖9所示。對于A(yíng)DG901,使用一個(gè)1:1電阻分壓器來(lái)滿(mǎn)足CTRL引腳的2.5V電平要求。
圖9.CN0551過(guò)溫管理電路
為了獲得最佳性能,必須使ADT6401的GND引腳和熱源的GND引腳的熱阻最小。因此,將ADT6401盡可能靠近ADL5324放置很重要。
布局考量
功率放大器在使用時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量熱量;因此,必須特別注意散熱。為了解決功耗問(wèn)題,EVAL-CN0551-EBZ使用3層厚的接地層,并在A(yíng)DL5324周?chē)拖路讲贾昧硕鄠€(gè)熱通孔。
使用熱像儀觀(guān)察EVAL-CN0551-EBZ可以發(fā)現,在RF輸入為-10dBm的情況下,ADL5324周?chē)姆逯惦娐钒鍦囟燃s為46°C,如圖10所示。將布局中的散熱技術(shù)與過(guò)熱監控電路相結合,可防止ADL5324達到其最高結溫。
圖10.CN0551熱性能(RF輸入功率 = -10dBm)
USB電源管理
CN0551通過(guò)micro-USB端口獲得電源,并由LTM4693 µModule調節至+5V。這款超薄、獨立的降壓-升壓DC/DC轉換器簡(jiǎn)化了穩壓器電路設計,因為它已經(jīng)包括了開(kāi)關(guān)模式控制器和用于低噪聲放大器電源的功率器件。CN0551中的+5V器件在正常工作期間消耗大約175mA電流,這主要由ADL5324和AD8353消耗。兩個(gè)放大器級在較高溫度下還會(huì )消耗額外的電源電流(如其各自的數據手冊所述)。憑借2A的最大連續輸出電流,LTM4693足以滿(mǎn)足CN0551的電流要求。
LTM4693正常運行只需要幾個(gè)旁路電容、一個(gè)反饋電阻和一個(gè)RC補償電路。如圖11所示,CN0551遵循LTM4693數據手冊中針對旁路電容和RC補償電路的推薦值。SS和MODE/SYNC引腳連接到CN0551上的VIN,將器件配置為低噪聲、恒定頻率脈寬調制(PWM)工作模式,默認軟啟動(dòng)周期為2ms。
圖11.LTM4693連接圖
LTM4693的輸出電壓由VOUT+和FB引腳之間連接的外部反饋電阻(RFB)設置;其值通過(guò)式1計算。
其中:
VOUT是所需輸出電壓,單位為V。RFB是反饋電阻,單位為kΩ。
對于所需的+5V輸出電壓,該公式得出RFB值為15.1kΩ。這在設計中實(shí)現為15kΩ電阻。
默認情況下,LTM4693的開(kāi)關(guān)頻率為1MHz。然而,在FREQ引腳和GND上連接一個(gè)外部電阻(RT)可以提高此頻率;其值通過(guò)式2計算。
其中:
fSW是所需的開(kāi)關(guān)頻率,單位為MHz。RT是外部電阻,單位為kΩ。
使用更高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降低電源效率,但這也會(huì )降低輸出電壓紋波,從而為放大器提供更穩定的電源電壓。如圖12所示,更高頻率還有助于減少近載波相位噪聲。對于CN0551,開(kāi)關(guān)頻率設置為2MHz;使用此值和式2得出RT為110kΩ。
圖12.LTM4693不同開(kāi)關(guān)頻率(1MHz和2MHz)下CN0551的相位噪聲
ADM7160低壓差(LDO)穩壓器產(chǎn)生ADG901 RF開(kāi)關(guān)所需的+2.5V電源電壓。該器件具有2.3V至6.5V的輸入電壓范圍和一個(gè)固定輸出電壓,可提供最大200mA電流。
為確保LDO的穩定性,必須使用有效電容(CEFF)大于0.7μF的優(yōu)質(zhì)電容(例如X5R或X7R)。這還需要考慮溫度和直流偏置效應。式3可用于根據所選電容的規格來(lái)計算CEFF。
其中:
CEFF是最壞情況下的電容,單位為μF。
CBIAS是工作電壓下的有效電容,單位為μF。
TEMPCO是最壞情況下的電容溫度系數。
TOL是最壞情況下的電容容差。
在CN0551中,配合ADM7160使用的電容的額定電容值為4.7μF,最壞情況溫度系數為0.15,最壞情況容差為0.20。根據電容與偏置電壓的關(guān)系圖,輸入旁路電容(+5V偏置)和輸出旁路電容(+2.5V)的有效電容分別約為2.13μF和3.60μF。在式3中使用這些值可得出1.45μF和2.45μF的最壞情況電容值,二者均高于0.7μF的最低要求。
常見(jiàn)變化
如果不需要0.5W的功率水平,可以改用ADL5320作為433.92MHz ISM頻段的驅動(dòng)放大器。與ADL5324相比,該器件提供略高的增益和較低的噪聲系數,但代價(jià)是OIP3更低。ADL5320的飽和輸出電平僅為250mW左右。
ADT6402也可用作溫度開(kāi)關(guān);該器件與ADT6401引腳兼容,并具有與后者相同的規格,但輸出為低電平有效。使用ADT6402時(shí)需要一個(gè)反相緩沖器。
ADI還提供類(lèi)似的用于在915MHz和2.45GHz ISM頻段中進(jìn)行傳輸的放大器設計。欲了解更多信息,請參閱CN0522和CN0417電路筆記。
電路評估與測試
本節介紹用于測試CN0551的S參數和相位噪聲的設置和步驟。如需完整的詳細信息,請參閱EVAL-CN0551-EBZ用戶(hù)指南。
設備要求
以下設備用于開(kāi)展測試:
? CN0551電路評估板(EVAL-CN0551-EBZ)
? Keysight® E5061B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀
? Rohde & Schwarz® SMA100A信號發(fā)生器
? Rohde & Schwarz FSUP信號分析儀
? 20dB衰減器(選配),用于信號分析儀的輸入保護
? 5V;≥0.5A交流/直流電源適配器,帶microUSB電纜
? SMA電纜
設置和測試
圖13顯示了CN0551與矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的正確端口連接。要測量S參數,請遵循以下程序:
1、配置矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的掃描范圍和頻率步長(cháng)。起始和停止頻率應分別設置為433MHz至435MHz。掃描的頻率步長(cháng)應設置為10kHz。
2、使用校準套件對矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀執行完整的2端口校準。請注意,EVAL-CN0551-EBZ的RF輸入可以直接連到測試端口,因此測試設置僅需要一根測量電纜。
3、使用5V電源適配器和micro USB電纜為EVAL-CN0551-EBZ供電。
4、使用校準的測試設置將EVAL-CN0551-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的測試端口上。
5、設置網(wǎng)絡(luò )分析儀以顯示各個(gè)S參數的跡線(xiàn)。
6、在矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀上執行自動(dòng)縮放功能。如果需要,隨后可調整比例。
圖13.S參數測量設置
圖14顯示了執行相位噪聲測試時(shí)CN0551與信號源分析儀和信號發(fā)生器的正確連接。要測量相位噪聲,請遵循以下程序:
1、設置信號源分析儀測量相位噪聲并配置其測量范圍。起始和停止偏移應分別設置為1kHz和30MHz。
2、將信號發(fā)生器的輸出設置為433.92MHz的頻率和-10dBm的電平。
3、如果設備可以處理放大器輸出(-10dBm輸入時(shí)約為25.85dBm),請參考信號源分析儀數據手冊上的最大輸入電平。如有必要,將衰減器連接到信號源分析儀的輸入。
4、使用5V電源適配器和micro USB電纜為EVAL-CN0551-EBZ供電。
5、將信號發(fā)生器輸出連接到EVAL-CN0551-EBZ的RF輸入。
6、將EVAL-CN0551-EBZ的RF輸出連接到信號源分析儀。
7、在信號源分析儀上啟動(dòng)新的測量運行。
圖14.相位噪聲測量設置
了解更多
? AD8353 S-參數
? ADL5324 S-參數
? ADG901 S-參數
? ADIsimRF™ RF信號鏈計算工具
? LTspice® SPICE仿真軟件
? LTpowerCAD®設計工具
? 功耗與芯片溫度計算器
? 教程MT-093,熱設計基礎,ADI公司。
? 教程MT-101:解耦技術(shù),ADI公司。
? Tompsett,Kevin。2017.設計開(kāi)關(guān)電源中使用的二級輸出濾波器。ADI公司。
? Kumbhar,Abhaykumar。2017.ISM頻段概述和軟件定義無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗。無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信:國際期刊,第97卷。
? Rao,Shreharsha。2005.充分利用免許可ISM頻段。EETimes.com。
? Sylla,Iboun。2009.設計免許可頻段的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品時(shí)應了解法規要求。EE-Times.com。
? Schweber,Bill。2018.RF功率放大器,第一部分:功能。AnalogICTips.com。
? Kundert,Ken。2006.電源降噪。The Designer’s Guide Community。
數據手冊和評估板
CN0551評估板、AD8353數據手冊、AD8353評估板、ADL5324數據手冊、ADL5324評估板、ADG901數據手冊、ADG901評估板、ADM7160數據手冊、ADM7160評估板、ADT6401數據手冊、LTM4693數據手冊、LTM4693評估板
ESD警告
ESD(靜電放電)敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì )在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專(zhuān)利或專(zhuān)有保護電路,但在遇到高能量ESD時(shí),器件可能會(huì )損壞。因此,應當采取適當的ESD防范措施,以避免器件性能下降或功能喪失。
Circuits from the Lab®參考設計是經(jīng)過(guò)測試的參考設計,有助于加速設計,同時(shí)簡(jiǎn)化系統集成,幫助解決當今的模擬、混合信號和RF設計挑戰。如需更多信息和/或技術(shù)支持,請訪(fǎng)問(wèn):www.analog.com/CN0551。 |
連接/參考器件 |
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AD8353 |
1MHz至2.7GHz RF增益模塊 |
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ADL5324 |
400MHz至4GHz ½ W RF驅動(dòng)放大器 |
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ADG901 |
0Hz至4.5GHz、40dB關(guān)斷隔離(1GHz)、17dBm P1dB (1GHz) SPST開(kāi)關(guān) |
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ADP196 |
5V、3A邏輯控制的高端電源開(kāi)關(guān) |
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ADT6401 |
2.7V至5.5V、引腳可選溫度開(kāi)關(guān) |
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ADM7160 |
超低噪聲、200mA線(xiàn)性穩壓器 |
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LTM4693 |
超薄低VIN、2A降壓-升壓μModule®穩壓器 |
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