电源管理是一门科学艺术,它通过优化输入和输出信号来最大化 RF 设备的效率和性能,这不是一件容易的事。每台网络设备都有自己独特的功率需求。更高的数据速率通常意味着更高的功耗和复杂性,这可能会带来损失,进而降低可靠性和增加成本。低数据速率设备(例如支持物联网的那些设备)功率极小,以便节省宝贵的电池电源的每一毫秒。

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除此以外,RF 工程师还面临静电放电的难题,它几乎可以炸毁一台设备的电路板。想象一下,在干燥的冬日走过地毯后,手碰触到门把手。咝!在您碰到门把手的那一刻,它只会让您的手臂汗毛竖起来,感到轻微不适,但是,却会让设备产生严重的性能问题,或者甚至损坏敏感的电子元件。每个人都能按下电源按钮,但要设计出电源管理和 RF 设备,则需要以下的专业知识。

高功率 RF

伯克利实验室将高功率 RF 定义为一个专门的工程领域,主要研究运行频率远高于音频频段的元件和系统。高功率 RF 应用包括军事和商业雷达、卫星通信和无线基础设施,例如蜂窝基站。工程师必须放大这些系统的功率,以便在长距离和恶劣条件下可靠地传输信号。为此,他们使用了功率放大器 (PA)。

与放大 .jpeg 图像文件的大小一样,功率放大器可以在不损坏或无失真的情况下增加网络设备的输出。但是,增加功率也会产生大量的热量。温度管理是高功率 RF 设备需要解决的难题之一。工程师必须满足严格的输出要求,同时保持设备足够冷却,以保证系统可靠运行。

出于此原因,大部分高功率 RF 设备都采用砷化镓 (GaAs) 或氮化镓 (GaN) 制造。这两种复合半导体都能处理高功率 RF 系统产生的热量,但 GaN 正迅速成为首选技术。GaN 放大器具备出色的热性能,能够提供比传统技术更高的输出,且最多能够降低 20% 的功耗。

GaN 帮助实现了更高频率下的实时通信。以敌我识别 (IFF) 系统为例,这些系统让民用航空交通管制部门能够识别飞机,并从塔楼上确认它们的距离。

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高功率 RF 设备发展的下一步是毫米波 (mmW):介于 30 GHz 和 300 GHz 之间的超高频段,其中许多频率是部署 5G 无线网络的关键。采用这些频率时,电源管理是一个真正的挑战。

低功率 RF

低功率 RF 主要涉及更低频率的低传输速率、短距离无线通信。应用包括物联网;节能型智能家居设备、恒温器、HVAC、照明控制和家居安防;用于监测停车、交通堵塞、路灯和废弃物管理状况的智能城市设备;以及车联网。

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对于所有低功率 RF 产品来说,电源管理的关键问题在于电池的使用寿命。物联网要能够使用,传感器必须持续很长时间。房主和市民并不希望每年更换设备中的电池,因此工程师必须设计出低功率、能够维持十年或更久时间的解决方案。

更复杂的是,每个低功率网络对功率的要求各不相同,并且有数十个网络之多,包括 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 3.0、蓝牙低功耗、Thread、LTE Cat-M1 (LTE-M) 和窄带物联网 (NB-IoT)。

例如,Wi-Fi 网络会根据发送的文件的大小,以及路由器/接入点和连接设备之间的距离,在 2.4GHz 和 5GHz 之间切换。频率更高时,系统消耗的功率更高,频率更低时,消耗的功率更低。路由器采用硬接线方式,因此不受影响,但互联设备的电池电量会耗尽,无论是智能手机、笔记本电脑还是其他设备。通常,您的设备和连接设备之间的距离越远,所需的功率就越大。蓝牙消耗的功率比 Wi-Fi 低,Wi-Fi 需要的功率又比蜂窝低。

根据我们在 Keysight Technologies 任职的合作伙伴的说法,“工程师必须准确测量电池的损耗,了解这些物联网设备的功耗模式,以实现客户期望的长电池寿命。”只有这样,我们才能构建一个网络,以强大的方式将人类和他们的设备连接起来,进而简化我们的生活。

集成的作用

所有功率水平都能通过集成受益。从系统层面来看,将多个组件集成到单个设备能够最小化功率和效率损失,简化设计和网络部署,并且帮助加快各种产品(从雷达到路由器)的上市速度。从设备层面来看,家庭、城市或厂区“设备”具备的互操作性能够最大化生产力,并最大限度地节能。

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围观 10

作者: Ahmad Bahai,德州仪器(TI)公司首席技术专家

我们可以想象一下:当你驾驶着电动汽车行驶在马路上,电动车充电设备的充电效率可以达到你目前所用充电效率的两倍;仅有一半大小的电机驱动比目前应用的效率更高;笔记本电脑电源适配器小到可以放进口袋。

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电子设备的未来取决于电源管理创新。

或者设想一下:每个简单的互联网搜索查询使用的电力足以灼烧一个60瓦灯泡约17秒。现在乘上每天发生的数十亿次的查询,便可以获得数十亿千瓦时的能耗。

更有效地管理能源并占用更小空间,所面临的挑战丝毫没有减弱。氮化镓(GaN)等新技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出的诸多方面。预计到2030年,电力电子领域将管理大约80%的能源,而2005年这一比例仅为30%1。这相当于30亿千瓦时以上的节能。这些电力足以为30多万个家庭提供一年的电量。

任何可以直接从电网获得电力的设备(从智能手机充电器到数据中心),或任何可以处理高达数百伏高电压的设备,均可受益于氮化镓等技术,从而提高电源管理系统的效率和规模。(白皮书下载:GaN将能效提高到一个新的水平。)

寻找理想开关

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任何电源管理系统的核心是开关,可以打开和关闭电源。它就像墙上的照明开关一样,但是速度会数百万倍地快,尺寸会数百万倍地小。效率(低损耗)、可靠性、集成度和可负担性是半导体电源开关的关键属性。

我们不断地寻找理想的开关。理想的开关可以以极少“导通”电阻来导通电流,并在尽可能少的漏电流的情况下阻断电流,同时阻断关断状态下其端子上的明显电压。较高的开关频率也意味着工程师可以设计出更小的整体功率变换解决方案。最重要的是,半导体开关必须可靠且能够经济高效地制造。

几十年来,硅电源开关的功效、开关速度和可靠性都在不断提高。这些器件已成功解决低电压(低于100伏)或高电压容差(IGBT和超结器件)中的效率和开关频率问题。然而,由于硅的限制,因此无法在单个硅功率FET中提供所有这些功能。宽带隙功率晶体管(如GaN和碳化硅(SiC))有望在高压和高开关频率条件下提供高功率效率,从而远远超过硅MOSFET产品。

GaN可以为您做什么

根据应用的不同,高效率的高频开关可以将功率模块的尺寸缩小3至10倍,但需要优化驱动器和控制器拓扑。图腾柱AC/DC转换器是一种不适用于硅片的拓扑结构,可受益于GaN的低导通电阻、快速开关和低输出电容,从而提供三倍高的功率密度。诸如零电压和零电流开关这样的谐振架构可以减少开关损耗并提高整体效率,也可以受益于GaN的卓越开关特性。

许多应用需要从相对较高电压(几百伏)到低电压的功率转换以供电电路元件(如处理器)。具有高输入至输出电压比的开关模式功率转换器的效率较低。这些电源管理模块通常涉及多个转换阶段。从中间的54/48伏总线直接转换到处理器内核电压可以降低成本并提高效率。氮化镓凭借其独特的开关特性,成为直接转换架构的强有力候选者。目前正在研究数据中心应用服务器电源管理的直接转换。

此外,自动驾驶车辆激光雷达驱动器、无线充电和5G基站中的高效功率放大器包络线跟踪等应用可从GaN技术的效率和快速切换中受益。

GaN功率器件的传导损耗降低,并伴随着更高的开关频率,从而导致更高的功率密度。但热管理和寄生效应无法缩放!在更小的体积中集中更多的功率为散热和封装带来新的挑战。较小的模面面积限制了传统封装技术的效率。三维散热是GaN封装的一个很有前景的选择。

生活更环保

为了打破成本和大规模采用周期,一种新型功率半导体技术需要解决最引人注目应用中现有设备的一些缺点。氮化镓为功率调节的发展创造了机会,使其在高电压应用中的贡献远远超越硅材料。用于工业电机驱动或并网储能系统的逆变器可以极大地受益于GaN器件提供的更高密度。

GaN还提供其他独特的未开发特性,可以为未来的电源管理提供新的价值和机会。与典型的PN结MOSFET不同,GaN器件的双向结构可以使用双栅结构控制电流。用于电机驱动的矩阵转换器可以通过利用双向设备潜在地减少开关的数量。此外,氮化镓器件可以在比硅器件更高的温度下工作,这使其成为许多热门应用(如集成电机驱动)的有吸引力的选择。

GaN等突破性技术的长期影响是显著的:较低的功率损耗意味着我们不需要很多新发电厂来满足日益增长的电力需求。更高的功率密度意味着更多的集成。电池供电电路(例如电动车辆、无人机和机器人中的电路)可以更高效地运行更长时间。数据中心将更有效地运作,利用其数以千计的服务器帮助我们与朋友和同事联系。我们将能够过上更加环保的生活。

更多资源:

1-分布式能源系统和输配电应用的电力电子技术,ORNL,2005年

原文链接:

https://e2e.ti.com/blogs_/b/thinkinnovate/archive/2018/03/27/gallium-nit...

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围观 2

为 FPGA 应用设计优秀电源管理解决方案不是一项简单的任务,相关的技术讨论有很多很多。今天小编要为大家分享的内容『FPGA 的电源管理』主要有两个目的——

☞ 找到正确解决方案并选择最合适的电源管理产品

☞ 如何优化实际解决方案使其用于 FPGA

找到合适的电源解决方案

寻找为 FPGA 供电的最佳解决方案并不简单。许多供应商以适合为 FPGA 供电的名义推销某些产品。为 FPGA 供电的 DC-DC 转换器选择有何特定要求?其实并不多。一般而言,所有电源转换器都可用来为 FPGA 供电。推荐某些产品通常是基于以下事实:许多FPGA应用需要多个电压轨,例如用于 FPGA 内核和 I/O,还可能需要额外的电 压轨来用于 DDR 存储器。将多个DC-DC 转换器全部集成到单个稳压器芯片中的 PMIC(电源管理集成电路)常常是首选。

一种为特定 FPGA 寻找优秀供电解决方案的流行方法是使用许多 FPGA 供应商都提供的已有电源管理参考设计。这对于优化设计来说是一个很好的入门方式。但此类设计往往需要修改,因为

● FPGA 系统通常需要额外的电压轨和负载,这些也需要供电;

● 在参考设计上增加一些东西常常也是必要的;

● FPGA 的输入电源不是固定的,输入电压在很大程度上取决于实际的逻辑电平以及 FPGA 所实现的设计。

完成对电源管理参考设计的修改之后,它看起来将与最初的参考设计不同。可能有人会辩称,最好的解决方案是根本不用电源管理参考设计,而是直接将所需的电压轨和电流输入到电源管理选型与优化工具中,例如 ADI 公司的 LTpowerCAD 等。

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图1. 通过 LTpowerCAD 工具选择合适的 DC-DC 转换器来为 FPGA 供电。

LTpowerCAD 可用来为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供一系列参考设计,以让设计人员快速入门。LTpowerCAD 可以从 ADI 公司网站免费下载。☞下载链接:http://www.analog.com/cn/design-center/ltpowercad.html

如何优化实际解决方 案以用于FPGA

一旦选择了电源架构和各个电压转换器,就需要选择合适的无源元件来设计电源。做这件事时,需要牢记 FPGA 的特殊负载要求——

● 各项电流需求 

● 电压轨时序控制 

● 电压轨单调上升 

● 快速电源瞬变 

● 电压精度

● FPGA 输入电容

各项电流需求

FPGA 的实际电流消耗在很大程度上取决于使用情况。不同的时钟和不同的FPGA 内容需要不同的功率。因此,在 FPGA 系统的设计过程中,典型 FPGA 设计的最终电源规格必然会发生变化。FPGA 制造商提供的功率估算工具有助于计算解决方案所需的功率等级。在构建实际硬件之前,获得这些信息会非常有用。但是,为了利用此类功率估算工具获得有意义的结果,FPGA 的设计必须最终确定,或者至少接近最终完成。

通常情况下,工程师设计电源时考虑的是最大 FPGA 电流。如果最终发现实际 FPGA 设计需要的功率更少,设计人员就会缩减电源。

电压轨时序控制

许多 FPGA 要求不同电源电压轨以特定顺序上电。内核电压的供应往往需要早于 I/O 电压的供应,否则一些 FPGA 会被损坏。为了避免这种情况,电源需要按正确的顺序上电。使用标准 DC-DC 转换器上的使能引脚,可以轻松实现简单的上电时序控制。然而,器件关断通常也需要时序控制。仅执行使能引脚时序控制,很难取得良好的结果。更好的解决办法是使用具有高级集成时序控制功能的 PMIC,例如 ADP5014。图2中用红色表示的特殊电路模块支持调整上电和关断时序。

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图2. ADP5014 PMIC 集成了对灵活控制上电/关断时序的支持。

图 3 显示了利用此器件实现的时序控制。通过 ADP5014 上的延迟 (DL) 引脚可以轻松调整上电和关断时序的时间延迟。

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图3. 多个FPGA电源电压的启动和关断顺序。

如果使用多个单独的电源,增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是 LTC2924,它既能控制 DC-DC 转换器的使能引脚来打开和关闭电源,也能驱动高端 N 沟道 MOSFET 来将 FPGA 与某个电压轨连接和断开。

电压轨单调上升

除了电压时序之外,启动过程中还可能要求电压单调上升。这意味着电压仅线性上升,如图 4 中的电压 A 所示。此图中的电压 B 是电压非单调上升的例子。在启动过程中,当电压上升到一定电平时负载开始拉大电流,就会发生这种情况。防止这种情况的一种办法是延长电源的软启动时间,并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。

“图4.
图4. 电压A单调上升,电压B非单调上升。

快速电源瞬变

FPGA 的另一个特点是它会非常迅速地开始抽取大量电流。这会在电源上造成很高的负载瞬变。出于这个原因,许多 FPGA 需要大量的输入电压去耦。陶瓷电容非常靠近地用在器件的 VCORE 和 GND 引脚之间。高达 1 mF 的值非常常见。如此高电容有助于降低对电源提供非常高峰值电流的需求。但是,许多开关稳压器和 LDO 规定了最大输出电容。FPGA 的输入电容要求可能超过电源允 许的最大输出电容。

电源不喜欢非常大的输出电容,原因有两点——

● 在启动期间,开关稳压器的输出电容看来像是短路的。对此问题有一个解决办法。较长的软启动时间可以让大电容组上的电压稳定地升高,电源不会进入短 路限流模式。

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图5. 很多FPGA的输入电容要求。

● 该电容值会成为调节环路的一部分。集成环路补偿的转换器不允许输出电容过大,以防止稳压器的环路不稳定。在高端反馈电阻上使用前馈电容常常可以影响控制环路,如图6所示。

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图6. 当没有环路补偿引脚可用时,利用前馈电容可以调节控制环路。

针对电源的负载瞬变和启动行为,开发工具链(包括 LTpowerCAD,尤其是 LTspice)是非常有帮助的。该工具可以很好的建模和仿真,从而有效实现 FPGA 的大输入电容与电源的输出电容的去耦。 图 6 就展示了这一概念。

虽然 POL(负载端)电源的位置往往靠近负载,但在电源和 FPGA 输入电容之间常常存在一些 PCB 走线。当电路板上有多个彼此相邻的 FPGA 输入电容时,离电源最远的那些电容对电源传递函数的影响较小,因为它们之间不仅存在一些电阻, 还存在寄生走线电感。这些寄生电感允许 FPGA 的输入电容大于电源输出电容的最大限值,即使所有电容都连接到电路板上的同 一节点也无妨。在 LTspice 中,可以将寄生走线电感添加到原理图中,并且可以模拟这些影响。当电路建模中包含足够的寄生元件时,仿真结果接近实际结果。

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图7. 电源输出电容与FPGA输入电容之间的寄生去耦。

电压精度

FPGA电源的电压精度通常要求非常高。3%的变化容差带是相当 常见的。例如,为使0.85 V的Stratix V内核电压轨保持在3%的电压精度窗口内,要求全部容差带仅为25.5 mV。这个小窗口包括 负载瞬变后的电压变化以及直流精度。同样,对于此类严格要 求,包括LTpowerCAD和LTspice在内的可用电源工具链在电源设计 过程中非常重要。

FPGA 输入电容

为了快速提供大电流,FPGA 的输入电容通常选择陶瓷电容。此类电容很适合这种用途,但需要小心选择,使其真实电容值不随直流偏置电压而下降。一些陶瓷电容,尤其是 Y5U 型,当直流偏置电压接近其最大额定直流电压 时,其真实电容值会降低到只有标称值的20%。

本文转载自:亚德诺半导体
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