搞定電路設(shè)計之防過熱的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)、科學和醫(yī)學(ISM)頻段分配給1區(qū)使用，該區(qū)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線電通信之外的應(yīng)用，但多年來無線技術(shù)和標準的進步使得ISM頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。

ITU 1區(qū)的運營商無需為使用433.92MHz頻段獲得許可，常見應(yīng)用包括軟件定義無線電、醫(yī)療設(shè)備和重型機械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國，433.92MHz頻段由獲得許可的業(yè)余無線電臺使用。

任何無線電傳輸應(yīng)用都需要高增益放大器來驅(qū)動天線。根據(jù)應(yīng)用要求，這可以通過一級或多級實現(xiàn)；輸出功率值越高，RF傳輸距離越長。為了實現(xiàn)最佳頻率響應(yīng)，設(shè)計中必須考慮幾個因素，例如適當?shù)淖杩蛊ヅ?、濾波和熱管理。

圖1所示電路是ADI的一個雙級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(shè)計，支持電路與標準50Ω系統(tǒng)之間的直接連接。

圖1 ADI CN0551簡化功能框圖

為防止過熱，當達到用戶定義的溫度跳變點時，溫度監(jiān)視開關(guān)電路會禁用RF放大器。當溫度降至滯回設(shè)定點以下時，該開關(guān)電路也會自動使能放大器。

評估和設(shè)計支持

■   電路評估板

■   CN0551電路評估板(EVAL-CN0551-EBZ)

■   設(shè)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信號首先通過聲表面波(SAW)濾波器，然后通過增益級，這有助于消除不需要的帶外放大。選擇濾波器時，必須在頻帶平坦度和帶外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源，它會降低信號鏈的整體增益，選擇時需要仔細考慮。

該參考設(shè)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，在整個頻率范圍內(nèi)的回波損耗大于10dB。

AD8353的RF引腳內(nèi)部匹配50Ω，因此它能直接集成到標準RF信號路徑中，而無需外部匹配網(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

ADL5324 RF驅(qū)動放大器用作設(shè)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(shù)為6.8dB，從433.05MHz到434.79MHz的典型輸出三階交調(diào)截點(OIP3)為38.4dBm。

只需通過RF扼流圈向RFOUT引腳施加+5V電壓，即可設(shè)置ADL5324的偏置點。建議使用120nH的電感，因為這也會為433.92MHz ISM頻段提供一定的輸出匹配。為了濾除電源線上的RF信號和高頻噪聲，ADL5324的輸出級偏置需要三個解耦電容。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

為實現(xiàn)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(diào)諧阻抗。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感(L_IN)和電阻(R_IN)，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(L_OUT)和分流電容(C_OUT)。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ADL5324數(shù)據(jù)手冊中列出的420MHz至494MHz調(diào)諧頻帶，CN0551參考設(shè)計使用類似的元件值。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(shù)據(jù)手冊中針對420MHz至433.92MHz調(diào)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

RF性能

CN0551產(chǎn)生的S參數(shù)、相位噪聲測量結(jié)果和穩(wěn)定性指標如圖5、圖6和圖7所示。

在433.92MHz的中心頻率，CN0551實現(xiàn)了35.8dB的增益。該系統(tǒng)的相位噪聲很低，在10kHz和100kHz的頻率偏移時，相位噪聲值約為-145dBc/Hz；在1MHz的頻率偏移時，相位噪聲值為-130dBc/Hz。當頻率偏移高于1MHz時，相位噪聲值保持在-130dBc/Hz以下。

系統(tǒng)在整個433.92MHz ISM頻段保持穩(wěn)定，Rollet穩(wěn)定性因子(k)高于1，輔助穩(wěn)定性指標(B1)高于0。

圖5 S參數(shù)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(wěn)定性測量與頻率的關(guān)系

圖8顯示了CN0551的輸出功率(P_OUT)與輸入功率(P_IN)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?W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 P_OUT與P_IN的關(guān)系（433.92MHz輸入）

過溫管理

CN0551上實現(xiàn)了過溫管理特性，當電路板溫度達到預(yù)設(shè)閾值時，放大器電路會自動禁用。一旦溫度降至滯回設(shè)定點以下，CN0551放大器就會自動使能。該特性通過ADT6401溫度開關(guān)的開漏輸出(TOVER/TUNDER)實現(xiàn)，它會監(jiān)視ADL5324附近的溫度并將其與引腳可編程跳變點進行比較。

引腳S0、S1和S2的狀態(tài)選擇ADT6401的溫度跳變點和滯回。表3列出了CN0551上可用的溫度跳變點和滯回設(shè)置。

表3 選擇ADT6401跳變點和滯回

默認情況下，CN0551參考設(shè)計使用+95°C跳變點和+10°C滯回設(shè)置。

ADL5324沒有可由ADT6401輸出直接控制的內(nèi)部關(guān)斷特性，因此該功能必須通過開關(guān)電路在外部實現(xiàn)。在CN0551中，這是通過ADG901 RF開關(guān)和ADP196功率開關(guān)完成的，這兩個開關(guān)可以斷開ADL5324的RF輸入和直流偏置。利用ADT6401輸出可以同時接通或斷開這兩個器件，如圖9所示。對于ADG901，使用一個1:1電阻分壓器來滿足CTRL引腳的2.5V電平要求。

圖9 CN0551過溫管理電路

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會產(chǎn)生大量熱量；因此，必須特別注意散熱。為了解決功耗問題，EVAL-CN0551-EBZ使用3層厚的接地層，并在ADL5324周圍和下方布置了多個熱通孔。

使用熱像儀觀察EVAL-CN0551-EBZ可以發(fā)現(xiàn)，在RF輸入為-10dBm的情況下，ADL5324周圍的峰值電路板溫度約為46°C，如圖10所示。將布局中的散熱技術(shù)與過熱監(jiān)控電路相結(jié)合，可防止ADL5324達到其最高結(jié)溫。

圖10 CN0551熱性能（RF輸入功率 = -10dBm）

USB電源管理

CN0551通過micro-USB端口獲得電源，并由LTM4693 μModule調(diào)節(jié)至+5V。這款超薄、獨立的降壓-升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器簡化了穩(wěn)壓器電路設(shè)計，因為它已經(jīng)包括了開關(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。兩個放大器級在較高溫度下還會消耗額外的電源電流（如其各自的數(shù)據(jù)手冊所述）。憑借2A的最大連續(xù)輸出電流，LTM4693足以滿足CN0551的電流要求。

LTM4693正常運行只需要幾個旁路電容、一個反饋電阻和一個RC補償電路。如圖11所示，CN0551遵循LTM4693數(shù)據(jù)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V_IN，將器件配置為低噪聲、恒定頻率脈寬調(diào)制(PWM)工作模式，默認軟啟動周期為2ms。

圖11 LTM4693連接圖

LTM4693的輸出電壓由V_OUT⁺和FB引腳之間連接的外部反饋電阻(R_FB)設(shè)置；其值通過式1計算。

其中：

V_OUT是所需輸出電壓，單位為V。R_FB是反饋電阻，單位為kΩ。

對于所需的+5V輸出電壓，該公式得出R_FB值為15.1kΩ。這在設(shè)計中實現(xiàn)為15kΩ電阻。

默認情況下，LTM4693的開關(guān)頻率為1MHz。然而，在FREQ引腳和GND上連接一個外部電阻(R_T)可以提高此頻率；其值通過式2計算。

其中：

f_SW是所需的開關(guān)頻率，單位為MHz。R_T是外部電阻，單位為kΩ。

使用更高開關(guān)頻率會降低電源效率，但這也會降低輸出電壓紋波，從而為放大器提供更穩(wěn)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，開關(guān)頻率設(shè)置為2MHz；使用此值和式2得出R_T為110kΩ。

圖12 LTM4693不同開關(guān)頻率（1MHz和2MHz）下CN0551的相位噪聲

ADM7160低壓差(LDO)穩(wěn)壓器產(chǎn)生ADG901 RF開關(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固定輸出電壓，可提供最大200mA電流。

為確保LDO的穩(wěn)定性，必須使用有效電容(C_EFF)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(yīng)。式3可用于根據(jù)所選電容的規(guī)格來計算C_EFF。

其中：

C_EFF是最壞情況下的電容，單位為μF。

C_BIAS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(shù)。

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(shù)為0.15，最壞情況容差為0.20。根據(jù)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(qū)動放大器。與ADL5324相比，該器件提供略高的增益和較低的噪聲系數(shù)，但代價是OIP3更低。ADL5320的飽和輸出電平僅為250mW左右。

ADT6402也可用作溫度開關(guān)；該器件與ADT6401引腳兼容，并具有與后者相同的規(guī)格，但輸出為低電平有效。使用ADT6402時需要一個反相緩沖器。

ADI還提供類似的用于在915MHz和2.45GHz ISM頻段中進行傳輸?shù)姆糯笃髟O(shè)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(jié)介紹用于測試CN0551的S參數(shù)和相位噪聲的設(shè)置和步驟。如需完整的詳細信息，請參閱EVAL-CN0551-EBZ用戶指南。

設(shè)備要求

以下設(shè)備用于開展測試：

■   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(shè)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(shù)，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。起始和停止頻率應(yīng)分別設(shè)置為433MHz至435MHz。掃描的頻率步長應(yīng)設(shè)置為10kHz。

2.使用校準套件對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)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(shè)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(shè)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(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀以顯示各個S參數(shù)的跡線。

6.在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上執(zhí)行自動縮放功能。如果需要，隨后可調(diào)整比例。

圖13 S參數(shù)測量設(shè)置

圖14顯示了執(zhí)行相位噪聲測試時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(shè)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(yīng)分別設(shè)置為1kHz和30MHz。

2. 將信號發(fā)生器的輸出設(shè)置為433.92MHz的頻率和-10dBm的電平。

3. 如果設(shè)備可以處理放大器輸出（-10dBm輸入時約為25.85dBm），請參考信號源分析儀數(shù)據(jù)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新的測量運行。

圖14 相位噪聲測量設(shè)置

了解更多

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-   Tompsett，Kevin。2017.設(shè)計開關(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線電實驗。無線個人通信：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(shè)計免許可頻段的無線產(chǎn)品時應(yīng)了解法規(guī)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(shù)據(jù)手冊和評估板

CN0551評估板、AD8353數(shù)據(jù)手冊、AD8353評估板、ADL5324數(shù)據(jù)手冊、ADL5324評估板、ADG901數(shù)據(jù)手冊、ADG901評估板、ADM7160數(shù)據(jù)手冊、ADM7160評估板、ADT6401數(shù)據(jù)手冊、LTM4693數(shù)據(jù)手冊、LTM4693評估板

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