5G AAU 功放控制和監(jiān)測模塊簡析
發(fā)布時(shí)間:2021-07-03 來源:Joyce Li 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】第五代移動通信技術(shù)(即5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation,簡稱5G或5G技術(shù))是最新一代蜂窩移動通信技術(shù),也是繼4G(LTE、WiMax)、3G(UMTS、WCDMA)和2G(GSM)系統(tǒng)之后的延伸。相比于4G技術(shù),5G 有三大突出優(yōu)勢:
1. eMBB Enhanced Mobile Broadband,即增強(qiáng)型移動寬帶,比4G具有更高的上傳、下載速率,可以進(jìn)一步滿足用戶對于極致網(wǎng)速的要求。2. uRLLC Ultra-Reliable Low latency, 即超可靠低時(shí)延通信,在此場景下,連接時(shí)延要達(dá)到1ms級別,而且要支持高速移動(500km/h)情況下的高可靠性連接。這一場景更多面向車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等特殊應(yīng)用。3. mMTC ,massive Machine Type Communications,即海量機(jī)器類通信,支持海量終端互聯(lián),實(shí)現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),可以快速促進(jìn)各垂直行業(yè)(智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等)的深度融合。
實(shí)現(xiàn)以上5G特點(diǎn),最重要的技術(shù)變革就是5G采用了massive MIMO技術(shù),即多天線大規(guī)模多輸入輸出。其實(shí),MIMO技術(shù)在通信上應(yīng)用不是新鮮事,但5G采用了massive MIMO技術(shù),它是MIMO的擴(kuò)展,它通過在基站上增加大量天線來擴(kuò)展到傳統(tǒng)系統(tǒng)。數(shù)量眾多的天線有助于集中能量,從而極大地提高了吞吐量和效率。隨著天線數(shù)量的增加,網(wǎng)絡(luò)和移動設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)來協(xié)調(diào)MIMO操作。Massive MIMO利用了三個(gè)關(guān)鍵概念,即空間分集、空間復(fù)用和波束成形?;谝陨?,5G Massive MIMO基站最大特點(diǎn)是采用64TR或者32TR天線系統(tǒng),并且將RRU和天線整合在一起,天線不再像4G時(shí)代拉遠(yuǎn)放置。本文將簡要闡述在5G Massive MIMO系統(tǒng)下的功放控制以及檢測模塊系統(tǒng)的簡要分析,并提出TI的全套解決方案。
5G 功放系統(tǒng)是TX的重要組成部分,起到功率發(fā)射、基站覆蓋的功能,尤其是在64TR 32TR系統(tǒng)里,功放數(shù)量大幅上升,功放的效率以及散熱會在整個(gè)AAU系統(tǒng)中都是耗能的大頭。所以功放監(jiān)控電路設(shè)計(jì)可以起到高效控制PA、降低電路面積、降低耗能的目的。
目前5G主流的功放有LDMOS PA以及 GaN PA。LDMOS PA作為一種是采用硅工藝的LDMOS(Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor,橫向擴(kuò)散MOS)技術(shù),技術(shù)成熟,稍顯陳舊,成本低;GaN PA是基于三五族工藝的氮化鎵(GaN)技術(shù),GaN的主要優(yōu)點(diǎn)是其較高的功率密度,具有高擊穿電壓,高電流密度,高過渡頻率,低導(dǎo)通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好,而LDMOS在高頻下受到挑戰(zhàn)。GaN技術(shù)性能比LDMOS更好,非常適合5G高頻應(yīng)用的需求,不過價(jià)格相對更貴。GaN的供電電壓需要更高的電平,柵壓電平需要負(fù)壓;LDMOS PA的柵壓需要正壓供電。圖1是兩種PA簡化的工作原理。通過調(diào)節(jié)柵壓電平可以起到控制PA功率輸出的目的。
圖1:GaN 和LDMOS PA的簡化工作原理
一般來說,5G AAU系統(tǒng)一個(gè)TX通道的額定發(fā)射功率在5W~10W量級,5G功放系統(tǒng)一般采用多級功放級聯(lián)的形式,來實(shí)現(xiàn)大功率輸出的目的。第二級通常為Doherty架構(gòu),圖2為傳統(tǒng)對稱Doherty功率放大器電路示意圖。Doherty功率放大器主要由4個(gè)部分組成:功分器、主放大器(carrier PA)、輔助放大器(Peak PA)和信號合路。其中,功分器用于將信號分別輸入到主放大器與輔助放大器中;主放大器工作在AB類工作狀態(tài),輸出端接1/4波長傳輸線;輔助放大器工作在C類工作狀態(tài),輸入端接1/4波長傳輸線;信號合路部分用于將主放大器與輔助放大器放大的信號融合。對于傳統(tǒng)的對稱Doherty功率放大器,功分器功率分配比為1:1,并且主放大器與輔助放大器選用相同的晶體管。
圖2 Doherty PA架構(gòu)示意圖
功放柵壓控制DAC
控制PA柵壓的DAC器件是5G功放監(jiān)控系統(tǒng)的核心器件,由于5G AAU系統(tǒng)中天線數(shù)量較4G時(shí)代增加不少,對于DAC通道數(shù)的集成度就有了很高的要求。對于以上介紹的1級PA+ Doherty PA架構(gòu),每通道需要3個(gè)DAC供PA的柵壓。對于64TR AAU系統(tǒng),則總共需要64*3=192個(gè)通道的DAC。AMC7932是TI新 推出的高集成32通道12bitDAC,其內(nèi)部還集成12bit SAR型 250KSPS ADC以及片上溫度傳感器。
相較于上一代AMC7836,DAC的數(shù)量從16通道升級到32通道,對于AAU場景,DAC芯片數(shù)量可以降低。其中32通道DAC,分為2個(gè)group,每個(gè)group都可以支持正負(fù)壓供電。每個(gè)group供電范圍以及DAC的輸出范圍可以支持–10 V to 0 V, –5 V to 0 V, 0 V to 5 V, 以及 0 V to 10V。可以支持LDMOS以及GaN PA方案。其中集成的ADC可以用來轉(zhuǎn)換放置在PA附近的模擬溫度傳感器。功放的功率也隨著溫度改變而改變,所以功放的測溫需求也是功放監(jiān)控模塊的必備功能。用戶一般會在FPGA里存儲功放功率、溫度和對應(yīng)的DAC柵壓電壓的查找表,便于系統(tǒng)快速配置功放功率。圖3是AMC7932的常用原理圖,對接的為LDMOS類型的PA。
圖3. AMC7932 原理圖
功放溫度/電流檢測
功放溫度檢測目的是一是為了檢測功放是否在正常工作,是否有過熱等異常發(fā)生;二是檢測當(dāng)前功放的溫度,如果系統(tǒng)調(diào)整柵壓,需要根據(jù)溫度查找表找出需要配置DAC的柵壓數(shù)值。溫度傳感器的選擇可以選取模擬電壓輸出類別的溫度傳感器或者數(shù)字接口傳感器,模擬輸出的傳感器可以輸入給AMC7932的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,再通過SPI傳給FPGA等器件,所以可以節(jié)省一個(gè)數(shù)字通信接口器件,便于系統(tǒng)精簡。TMP235是TI推出的高性能/低成本的模擬溫度傳感器,可以實(shí)現(xiàn)typical+/- 0.5C, maximum +/-2.5C -40C~150C溫度范圍。TMP235放置在PA附近,可以多個(gè)PA共用一顆溫度傳感器。
功放電流檢測是用來檢測功放消耗的電流,檢測功放的健康狀態(tài),是否有過流等異?,F(xiàn)象發(fā)生。電流檢測一般測試Ids的電流,也可以同時(shí)檢測多路功放供電。INA281系列是TI推出的一顆高性能/低成本的電流傳感器,具有超高的共模電壓范圍,支持-4V~110V共模電壓范圍,對于GaN 以及LDMOS 管的供電范圍都能支持,并且有很大裕量。電流檢測的原理是檢測串聯(lián)在功放供電電路上的Shunt電阻上的壓降,再經(jīng)過內(nèi)部放大電路,放大輸出給AMC7932的ADC,如圖4所示。INA281的內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)有多種檔位,從20V/V到500V/V都有不同的型號,用戶可以按照系統(tǒng)測試電流的范圍進(jìn)行選擇。需要強(qiáng)調(diào)的是,INA281的內(nèi)部偏移電壓offset voltage(Vos)以及Gain error都非常低,Vos 在+/-55uV級別,gain error在+/-0.5%,可以滿足用戶精準(zhǔn)的電流測試需求,并且溫漂性能也在很低的數(shù)量級,Vos 溫漂性能在+/-0.1uV/C. Gain drift在+/-20ppm/C。
圖4. INA281工作原理圖
AAU TDD制式下的節(jié)能功能
AAU系統(tǒng)由于MIMO的架構(gòu),器件數(shù)量、功放數(shù)量、天線數(shù)量都有很大的提升,所以AAU整機(jī)功耗也比4G RRU有明顯提高了,降功耗就是AAU的重要目標(biāo)。而功放功耗占AAU功耗的大頭,功放降功耗也是重要目標(biāo)。通常功放降功耗可以通過選取高效率的GaN功放、DPD(數(shù)字預(yù)失真)算法等。此外還可以借助TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢,在上行時(shí)隙時(shí)關(guān)斷PA的柵壓,下行時(shí)隙時(shí)打開PA的柵壓,可以節(jié)省PA的功耗。具體實(shí)現(xiàn)方式是在柵壓控制DAC AMC7932輸出到PA柵壓間加上以及開關(guān)器件,通過FPGA控制開關(guān)器件的打開關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)TDD下PA的工作以及關(guān)斷。TMUX4157N就是TI推出的一顆負(fù)壓開關(guān),可以用于GaN功放系統(tǒng),工作電壓支持-4V~-12V,Ron電阻1.8ohm, 支持超高的工作范圍-55C~125C,圖5是其工作的示意圖。對于LDMOS PA,需要選取支持正壓供電的開關(guān),TMUX1247就是不錯(cuò)的選擇。
圖5. 負(fù)壓開關(guān)TMUX4157N工作示意圖
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