選擇合適的電源為5G基站組件供電

自80年代初引入模擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)以來，蜂窩通信已有了長足發(fā)展。如今，隨著市場由4G向5G網(wǎng)絡(luò)解決方案遷移，蜂窩通信行業(yè)正在為實(shí)現(xiàn)更快數(shù)據(jù)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(chǔ)。例如，5G不僅可以提高數(shù)據(jù)速率（100倍）和網(wǎng)絡(luò)容量（10倍），還可將延遲大幅降低到1 ms以下1，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)十億互聯(lián)設(shè)備近乎無處不在的連接，這些互聯(lián)設(shè)備是不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分。一個(gè)典型的5G波束成型發(fā)射器由數(shù)字MIMO、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)5G的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)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(fā)器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、更高速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(yīng)用大規(guī)模多路輸入、多路輸出(MIMO)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)可靠連接。因此，需要各種最先進(jìn)的電源為5G基站組件供電。

現(xiàn)代FPGA和處理器采用先進(jìn)納米工藝制造，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ诰o湊封裝內(nèi)的高電流條件下采用低電壓(<0.9 V)執(zhí)行快速計(jì)算。此外，新一代FPGA需要更低的內(nèi)核電壓以大幅提高計(jì)算速度，同時(shí)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(gè)FPGA實(shí)際上需要具有嚴(yán)緊容差的多個(gè)電壓和不同的額定電流，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。更重要的是，為了避免損壞，必須以正確的順序?qū)@些電壓軌的時(shí)序進(jìn)行控制。使用最新的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合領(lǐng)先的電路拓?fù)浜拖冗M(jìn)封裝技術(shù)來構(gòu)建電源，可以滿足這些嚴(yán)格的要求。然而，如果設(shè)計(jì)人員未能正確使用合適的電源管理解決方案，則會導(dǎo)致各種風(fēng)險(xiǎn)，從低效率到熱性能以及其他不希望出現(xiàn)的性能相關(guān)的問題。

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低噪聲供電

同樣，運(yùn)行速度更快的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)）也需要多個(gè)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(shè)在擁擠的印刷電路板(PCB)上，可用空間有限。因此，在設(shè)計(jì)這些高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)時(shí)，ADC和DAC的電源靈敏度必須是首要考慮因素。

圖1.5G系統(tǒng)波束成型發(fā)射器的高級高層功能框圖。

通過將先進(jìn)半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，ADI的μModule? Silent Switcher?穩(wěn)壓器可以輕松地解決此問題，滿足高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的效率、密度和噪聲性能需求。Silent Switcher LTM8065便是一個(gè)很好的示例，它可以為這些器件提供一個(gè)低噪聲、更緊湊、更高效的供電解決方案。與傳統(tǒng)的分立式解決方案不同，LTM8065可以顯著減少組件數(shù)量和電源板空間，而不必犧牲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能。該器件在符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)BGA封裝中集成了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、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(guān)穩(wěn)壓器之后的電源路徑中使用線性穩(wěn)壓器。ADP7118便是一款這樣的低壓差(LDO)、低噪聲線性穩(wěn)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。而且，該產(chǎn)品系列還有更多型號，可以使用ADI的LTpowerCAD和LTspice?等軟件工具進(jìn)行正確選擇。

PA和收發(fā)器的電源管理

這些新一代無線電整合了集成型收發(fā)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(shù)字控制和管理系統(tǒng)需要使用多種專用電源技術(shù)。例如，基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達(dá)28 V至50 V的電壓，同時(shí)基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個(gè)更低的電壓，并具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)序控制、監(jiān)控和保護(hù)功能。7,8 最先進(jìn)的DC/DC轉(zhuǎn)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(chǎn)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(gè)方面并擁有為這些應(yīng)用供電所需電源管理工具的全面知識的一家公司，能夠?yàn)楫?dāng)今的5G PA和收發(fā)器提供合適的電源方案。ADI可提供業(yè)界最廣泛的高性能Power by Linear?產(chǎn)品組合，從高效率、高密度DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊到電源管理IC (PMIC)和超低噪聲線性穩(wěn)壓器（包括電源時(shí)序、監(jiān)控和保護(hù)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(wěn)壓器和Silent Switcher技術(shù)是完整的電源系統(tǒng)化封裝解決方案，能夠提供精準(zhǔn)電壓，并在微型封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的供電而設(shè)計(jì)，具有最高功率轉(zhuǎn)換效率和密度，而不會增加噪聲或?qū)δ繕?biāo)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(yīng)對電路中需要多個(gè)供電軌時(shí)的電源時(shí)序控制挑戰(zhàn)，ADI提供了時(shí)序控制器系列，范圍從兩個(gè)電源(ADM6819/ADM6820)到17個(gè)通道(ADM1266)。為了確保系統(tǒng)正常、高效和安全地工作，對器件電壓、電流或溫度進(jìn)行監(jiān)控至關(guān)重要。為此，ADI提供了LTC2990等器件。

總結(jié)

總之，ADI的Power by Linear產(chǎn)品組合包括低噪聲LDO穩(wěn)壓器、低EMI且高度集成的多軌DC/DC轉(zhuǎn)換器μModule器件、Silent Switcher技術(shù)以及其他電源管理IC（包括電源時(shí)序控制器、監(jiān)控器和保護(hù)電路），所有這些都使ADI有能力提供業(yè)內(nèi)最廣泛的電源產(chǎn)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(shè)計(jì)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(wù)，因此可以為5G基站組件提供最佳電源解決方案。

參考文獻(xiàn)

1 Kyungmin Park，“5G如何減少數(shù)據(jù)傳輸延遲”，EDN Network，2018年5月14日。

2 Thomas Cameron，“5G——微波技術(shù)展望”，ADI公司，2015年12月。

3 Nathan Enger，“FPGA電源的‘護(hù)理和喂養(yǎng)’：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(jīng)過測試和驗(yàn)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(wěn)壓器為GSPS采樣ADC提供低噪聲供電，并節(jié)省一半空間”，ADI公司，2018年10月。

7 David Bennett和Richard DiAngelo，“脈沖雷達(dá)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。