使用創新電路合成流程 快速設計E類放大器

作者 : Matt Ozalas/Keysight Technologies

功率放大器(PA)已成為日常生活的一部分;其應用範圍包羅萬象,從無線及廣播發射器到高傳真音響設備,全都包括在內。而E類(Class E)功率放大器拓樸具有非常高的效率,是無線通訊元件的理想選擇。讓人頭痛的是,高效率的代價是高成本,而且E類功率放大器的電路設計相當困難,使得設計工程師面臨許多挑戰及取捨…

功率放大器(PA)已成為日常生活的一部分;其應用範圍包羅萬象,從無線及廣播發射器到高傳真音響設備,全都包括在內。而E類(Class E)功率放大器拓樸具有非常高的效率,是無線通訊元件的理想選擇。讓人頭痛的是,高效率的代價是高成本,而且E類功率放大器的電路設計相當困難,使得設計工程師面臨許多挑戰及取捨。能夠深入了解這些問題,是成功部署電路的關鍵。幸好,創新的合成式設計流程簡化E類功率放大器設計,並且顯著縮短設計時間。

基礎理論:E類拓撲結構

設計E類功率放大器時,第一要務是必須對其拓撲結構的基本原理有一定程度的認識。相較於我們熟知的類別,E類放大器使用類似切換器的電晶體,可在基本頻率上進行切換(圖1)。加入於輸出端的串聯共振器,可在基本頻率上當作短路,並在諧振頻率上當作開路。如此可迫使單頻正弦電流通過電路。一旦關閉切換器,交流電流會流出共振器,直流電流則流出電源供應器,兩者一同流入切換器。啟動切換器時,電流會從接地經由電容器流回到共振器。電容器兩端的電壓是電流的積分。

[20161124TA02P1]

圖1 圖中顯示標準的功率放大器拓樸。請注意,就這類功率放大器電路而言,訊號週期是確保放大器穩定運作的重要設計參數。


若設計得宜,這種切換模式的電路可達100%的效率。然而,伴隨而來的挑戰是,電壓與電流的擺幅,會比直流電源高出好幾倍。舉例而言,在中間點(50%訊號週期)進行切換時,電壓與電流峰值是供應電壓的數倍。這些擺幅會使訊號超出電晶體的安全運作範圍,對於可靠度也會造成顯著的影響。

為避免出現這類擺幅,設計工程師需使用可隨訊號週期改變的公式,以實現成功的電路設計。不過要計算這些包含訊號週期的電路設計公式並不容易,所產生的數值通常是以圖形格式或多項式擬合的形式來表示。為此,設計工程師通常須手動利用這些圖來內插標準化數值,但是這樣會減損設計準確度。

傳統方法:負載推移模擬加上十足的耐心

工程師多半使用負載推移模擬來設計功率放大器。使用這項技術時,工程師需掃描一組阻抗的輸出負載、產生各種功率及效率軌跡圖,並且挑選可提供所需效能的負載值。不幸的是,負載推移模擬並不是非常適合用於採複雜切換模式的E類放大器。

E類放大器的效能,取決於對元件的本質節點呈現精準的基本與諧振阻抗組合,以及可設定切換訊號週期的輸入訊號驅動位準及偏壓點組合。如欲使用負載推移之類的暴力技術來找出此一特定的點組合,需產生並且分類大量資料。即使取得所有點是可行的,仍無法保證模擬對每一種可行的偏壓與阻抗組合,都會收斂或維持穩定。某些狀況下我們可能不考慮使用此模型,理由在於元件本質不穩定或模擬恰好未收斂,如此會導致內插誤差。若設計工程師任意遵循這種方法,而且過度依賴元件模型,而不去理解電路原理,結果會相當令人苦惱,甚至可能導致元件受損。

總之,E類放大器需要更加精細的初始功率放大器設計方法。那麼,哪一種方法最適用呢?

新式合成法:更加準確、可靠

若未使用負載推移模擬,或是手動內插正規化公式的圖,要如何才能準確設計E類功率放大器呢?關鍵在於互動式電路合成設計流程,這種流程使用一組起始公式及規則,依賴第一原則來準確預測放大器效能。如此一來,功率放大器設計人員便能在可預測且可理解的起始點,更加快速地達成目標。

此流程的第一步是利用暫態公式合成出電路。接著使用理想切換/集總電路拓撲來驗證電路。在第三步驟中,將電壓/電流波形從時域轉換成頻域中的一組諧振阻抗。最後一個步驟則是使用設計工具,將更為實際、可實現的電路拓撲最佳化,以便匹配前幾個諧波的目標阻抗。

這種方法的關鍵在於合成工具的選擇(圖2)。理論上,此工具應具備一種能以互動方式將一般E類設計公式編碼的小程式,以便即時呈現基於設計輸入的電路合成結果。利用這類小程式,設計工程師可在顯示器上輸入參數(例如最大電壓與電流、膝節電壓,以及元件的內部寄生電容),並且設定效能規格(例如頻率、直流供應電壓、輸出功率,以及傳導角)。合成工具接著使用這項資訊,合成出理想的E類電路。

[20161124TA02P2]

圖2 Keysight ADS之E類功率放大器合成工具可產生流經電晶體的E類電壓與電流,並分析其與可靠度限制的關係。


這類合成工具可繪製出電路值與傳導角的關係,並且標示有效範圍。功率放大器電路可在有效範圍內,利用標記可靠地運作。標記之間的傳導角才有效,標記外的傳導角則無效。若無法以任何傳導角運作時,此工具會對設計工程師送出警告訊息。這種設計靈活性對於確保元件可靠運作,並同時符合E類電路的目標效能規格至關重要。

目前採用的新方法

如欲充分了解這個四步驟流程的確切運作方式,請參考以下使用Cree GaN MMIC元件,並以是德科技先進設計系統(ADS)進行合成的E類功率放大器範例。此元件具有120V的崩潰電壓,2.1pF的本質電容值,以及4.5A和3A的最大交流電流及直流電流。工程師可利用此Cree模型存取元件的本質電流產生器,這頗為重要,因為透過合成流程達成的目標阻抗,必須呈現於整個節點。

步驟1:透過暫態公式合成電路

為了進行設計,您可將元件的可靠度極限值及本質電容值輸入ADS,接著使用此工具的滑桿將頻率設為1GHz、供應電壓28V、輸出功率為25W。此工具接著輸出一組可用於設計的傳導角。在此範例中,有效傳導角為120~170度。若傳導角小於120度,射頻電流會超出元件限制;若傳導角大於170度,旁路電容器所需的值小於本質元件寄生值。此流程的互動特性,讓工程師能全面了解所面臨的取捨及限制,如此可避免在後續進行設計時產生誤差。我們選擇160度的傳導角,然後獲得理想的E類電路(圖3)。

步驟2:使用理想化切換/集總電路拓撲驗證電路

在此步驟中,進行驗證的用意是讓交流電壓與電流波形、功率及直流電流匹配,以便於利用氮化鎵(GaN)元件來試驗此電路。在使用實際的電晶體部署之前先在理想環境中進行驗證是個好想法。在此情況下,電路是用簡單的工作台來驗證。電晶體是用開關元件來製作模型,電路值是由合成工具帶入,接著進行諧振平衡模擬。圖3顯示模擬結果與預期波形非常符合。合成工具之與模擬結果的符合程度在標準範圍內:驗證完成。

[20161124TA02P3-1]
[20161124TA02P3-2]

圖3 上圖是理想的E類電路,下圖則為合成電路之驗證。圖中實線代表模擬,虛線代表合成公式的預測。此理想化大訊號模擬的效率約為99.9%。


步驟3:將電路之電壓/電流波形從時域轉換成頻域中的一組諧振阻抗

為了製作實際的功率放大器,工程師必須將理想電路轉變成實體配置。工程師可藉由在E類電壓與電流模擬波形上進行傅立葉變換,然後在步驟4中匹配所形成頻域諧振阻抗,來完成此任務。

步驟4:使用設計工具,將實際電路拓撲呈現的阻抗最佳化,以匹配前面幾個諧波的目標阻抗值

在最後一個步驟中,任何對諧振頻率提供正確阻抗的電路拓撲都會產生傅立葉成分,它們可傳遞必要的複合時域電壓和電流波形。事實上,許多電路拓撲都可提供這種阻抗組合。一般而言,設計工程師只需匹配前幾個諧波,便可非常接近理想波形。

圖4顯示藉由執行這四個步驟,工程師一次便順利完成實體電路設計的案例。對於連接至IC的輸入及輸出,EBOND元件係用於接線模型製作,而SMT元件係用於阻隔及旁通。此外,傳輸線可用來進行所有匹配。

[20161124TA02P4-1]
[20161124TA02P4-2]

圖4 圖中上半部顯示基於Cree提供之GaN元件的初建實體E類電路。下圖顯示合成工具的預測與元件模擬波形的吻合度。


相較於理想狀況,此設計可產生類似的波形、輸出功率,以及直流電流,功耗效率高達90%。這些結果與步驟1使用設計合成工具所得到的原始預測非常吻合。其波形與功率和直流電流,都有優異的吻合度。這樣的準確度,讓設計工程師能夠將效能最大化,但不會減損可靠度。

結語

E類功率放大器設計是件艱難的工作,幸好創新的設計流程可提供更簡便、快速的替代方案,可用來取代負載推移模擬技術。此流程首先依賴基本原理,並且讓設計工程師能快速取得可預測且易於理解的電路起始點。接下來,設計工程師便可製作更準確的實體模型,並且更有餘裕來因應各種挑戰,例如增加頻寬、在各種條件下維持穩定度、以及將電路對流程及封裝變化的靈敏度降到最低。

活動簡介

人工智慧(AI)無所不在。這一波AI浪潮正重塑並徹底改變科技產業甚至整個世界的未來。如何有效利用AI協助設計與開發?如何透過AI從設計、製造到生產創造增強的體驗?如何以AI作為轉型與變革的力量?打造綠色永續未來?AI面對的風險和影響又是什麼?

AI⁺ 技術論壇聚焦人工智慧/機器學習(AI/ML)技術,涵蓋從雲端到邊緣、從硬體到軟體、從演算法到架構的AI/ML技術相關基礎設施之設計、應用與部署,協助您全面掌握AI最新技術趨勢與創新,接軌AI生態系佈局,讓機器學習更快速、更經濟、更聰明也更有效率。

贊助廠商

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論