選擇合適的電源為5G基站組件供電

2019-09-23 17:06:51 來源:ADI公司
80年代初引入模擬蜂窩網絡以來,蜂窩通信已有了長足發展。如今,隨著市場由4G向5G網絡解決方案遷移,蜂窩通信行業正在為實現更快數據傳輸速度、更低延遲以及容量、用戶密度和可靠性的巨大飛躍奠定基礎。例如,5G不僅可以提高數據速率(100倍)和網絡容量(10倍),還可將延遲大幅降低到1 ms以下1,并同時實現數十億互聯設備近乎無處不在的連接,這些互聯設備是不斷增長的物聯網(IoT)的一部分。一個典型的5G波束成型發射器由數字MIMO、數據轉換器、信號處理組件、放大器和天線組成,如圖12所示。
 
FPGA的供電

為了充分實現5G的優勢,設計人員需要使用更高頻率的無線電,通過整合更多集成型微波/毫米波收發器、現場可編程門陣列(FPGA)、更高速率的數據轉換器以及適合更小蜂窩的高功率低噪聲功率放大器(PA),才能充分利用新頻譜,以滿足未來的數據容量需求。此外,這些5G蜂窩還將包含更多的集成天線,才能應用大規模多路輸入、多路輸出(MIMO)技術以實現可靠連接。因此,需要各種最先進的電源5G基站組件供電。
 
現代FPGA和處理器采用先進納米工藝制造,因為它們通常要在緊湊封裝內的高電流條件下采用低電壓(<0.9 V)執行快速計算。此外,新一代FPGA需要更低的內核電壓以大幅提高計算速度,同時又要求更高的I/O接口電壓,并且還需要額外的DDR存儲器供電軌。3,4,5 因此,單個FPGA實際上需要具有嚴緊容差的多個電壓和不同的額定電流,以實現最優操作。更重要的是,為了避免損壞,必須以正確的順序對這些電壓軌的時序進行控制。使用最新的半導體技術結合領先的電路拓撲和先進封裝技術來構建電源,可以滿足這些嚴格的要求。然而,如果設計人員未能正確使用合適的電源管理解決方案,則會導致各種風險,從低效率到熱性能以及其他不希望出現的性能相關的問題。

高速數據轉換器的低噪聲供電

同樣,運行速度更快的精密數據轉換器(如模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC))也需要多個電源軌,例如具有極低噪聲和直流紋波的1.3 V、2.5 V和3.3 V。6 通常,這些高速ADC和DAC布設在擁擠的印刷電路板(PCB)上,可用空間有限。因此,在設計這些高速數據轉換器的電源系統時,ADC和DAC的電源靈敏度必須是首要考慮因素。


圖1.5G系統波束成型發射器的高級高層功能框圖

 
通過將先進半導體和封裝技術的優勢相結合,ADI的µModule® Silent Switcher®穩壓器可以輕松地解決此問題,滿足高速數據轉換器的效率、密度和噪聲性能需求。Silent Switcher LTM8065便是一個很好的示例,它可以為這些器件提供一個低噪聲、更緊湊、更高效的供電解決方案。與傳統的分立式解決方案不同,LTM8065可以顯著減少組件數量和電源板空間,而不必犧牲數據轉換器的動態性能。該器件在符合RoHS標準的單個BGA封裝中集成了開關控制器、電源開關、電感和所有支持組件。
 
在某些情況下,為了最大程度地提高電源電壓抑制比(PSRR)性能,可以在開關穩壓器之后的電源路徑中使用線性穩壓器。ADP7118便是一款這樣的低壓差(LDO)、低噪聲線性穩壓器,可處理寬輸入電壓范圍,具有高輸出精度、低噪聲、高PSRR以及出色的線路與負載瞬態響應性能。而且,該產品系列還有更多型號,可以使用ADI的LTpowerCAD和LTspice®等軟件工具進行正確選擇。
 
PA和收發器的電源管理

這些新一代無線電整合了集成型收發器和低噪聲、高功率微波/毫米波PA,并具有更寬帶寬,它們的數字控制和管理系統需要使用多種專用電源技術。例如,基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達28 V至50 V的電壓,同時基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個更低的電壓,并具有適當的時序控制、監控和保護功能。7,8 最先進的DC/DC轉換器可提供這些5G PA所需的效率(>90%)、功率密度、低噪聲性能和控制功能。
 
在新一代(5G)產品性能必須超越上一代(4G)的巨大壓力下,幾乎沒有任何折衷的余地。因此,ADI作為專注于基站RF鏈的各個方面并擁有為這些應用供電所需電源管理工具的全面知識的一家公司,能夠為當今的5G PA和收發器提供合適的電源方案。ADI可提供業界最廣泛的高性能Power by Linear™產品組合,從高效率、高密度DC/DC轉換器模塊到電源管理IC (PMIC)和超低噪聲線性穩壓器(包括電源時序、監控和保護功能),從而可以為5G信號鏈供電提供更全面的方法。
 
ADI的µModule穩壓器和Silent Switcher技術是完整的電源系統化封裝解決方案,能夠提供精準電壓,并在微型封裝內實現最高效率(>95%)和高功率密度,具有高可靠性和最低EMI與噪聲。這些解決方案專為高性能RF系統的供電而設計,具有最高功率轉換效率和密度,而不會增加噪聲或對目標無線電信號的干擾,從而確保這些RF PA和其他此類RF電路的最佳性能。
 
同樣,為了應對電路中需要多個供電軌時的電源時序控制挑戰,ADI提供了時序控制器系列,范圍從兩個電源(ADM6819/ADM6820)到17個通道(ADM1266)。為了確保系統正常、高效和安全地工作,對器件電壓、電流或溫度進行監控至關重要。為此,ADI提供了LTC2990等器件。
 
總結

總之,ADI的Power by Linear產品組合包括低噪聲LDO穩壓器、低EMI且高度集成的多軌DC/DC轉換器µModule器件、Silent Switcher技術以及其他電源管理IC(包括電源時序控制器、監控器和保護電路),所有這些都使ADI有能力提供業內最廣泛的電源產品系列。該系列可全面滿足5G基站組件的供電所需,包括軟件設計和LTpowerCAD 和 LTspice等仿真工具。這些工具簡化了為器件選擇正確的電源管理解決方案的任務,因此可以為5G基站組件提供最佳電源解決方案。
 
參考文獻

1 Kyungmin Park,“5G如何減少數據傳輸延遲”,EDN Network,2018年5月14日。
2 Thomas Cameron,“5G——微波技術展望”,ADI公司,2015年12月。
3 Nathan Enger,“FPGA電源的‘護理和喂養’:成功的道與因”,《模擬對話》,2018年11月。
4 Frederik Dostal,“FPGA的電源管理”,《模擬對話》,2018年3月。
5 Afshin Odabaee,“Altera Arria 10 FPGA和Arria 10 SoC的供電:經過測試和驗證的電源管理解決方案”,ADI公司。
6 Aldrick Limjoco、Patrick Pasaquian和Jefferson Eco,“Silent Switcher µModule穩壓器為GSPS采樣ADC提供低噪聲供電,并節省一半空間”,ADI公司,2018年10月。
7 David Bennett和Richard DiAngelo,“脈沖雷達用GaN MMIC功率放大器的電源管理”,ADI公司,2017年10月。
8 Keith Benson,“GaN打破壁壘——RF功率放大器的帶寬越來越寬、功率越來越高”,《模擬對話》,2017年9月。

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