RF Envelope Tracker - A Hybrid DC-DC Converter, Utilizing a High-side Gate Charge-pump and Digital Logic Current Control for RF PA’s
Abstract
I radiofrekvenssendere (RF) går den største delen av energien tapt i effektforsterkeren(PA). Dette skyldes den konstante etterspørselen etter høyere datahastigheter som har produsert modulasjonordninger med økende kompleksitet. PA-er kan imidlertid gjøres effektive, men nåværende modulasjonsordningerinkorporerer inngangssignaler som har en varierende amplitude, og derfor krever at PA-er kjører hardt inngå vekk. Dette tvinger det totale systemet til å være mindre effektivt. Konvoluttsporing er valgtteknologien i denne undersøkelsen, hvor som andre som konvolutt-eliminering og restaurering(EER) utgjør for mange ikke-lineariteter. Konvoluttsporing involverer dynamisk modulering avdreneringsspenning til en RF PA (transistor) som holder den aktive enheten i eller rundt dens 1dB kompresjonpunkt; dette øker effektiviteten. Men selve trackeren må derfor være effektiv å lagedet gjør den ekstra kompleksiteten. Dette er fortellingen om prosjektet hvor en hybridløsning erundersøkt. Switch-mode-kretsen tar seg av hoveddelen av RF-effekten som ligger på laverefrekvenser (0Hz − 1M Hz), og lar den lineære regulatoren håndtere de høyere frekvensene (1M Hz −80M Hz) hvor effektiviteten ikke er like kritisk. Et allerede eksisterende masterprosjekt brukes til å lage enproof of concept prototype (T racker 011 ) i KiCad som er produsert, og verifisert. Resultatenegi problemer forbundet med den ikke-inverterende lineære regulatoren; den kunne ikke håndtere strømmenlaste. En simulering blir deretter konstruert ved hjelp av Ngspice, og KiCad for å simulere prototypen ved hjelp av nøyaktige komponentmodeller; dette bekrefter feil strømbelastning. To andre punkter er ogsåbemerket, hvor portkildespenningen til høysidesvitsjen i gjennomsnitt bare er ≈ 3,7V , og atportdrivsignalet er svært proporsjonalt med inngangssignalet. Dette får høysidebryteren til å fungere somen kildefølger; dette er ikke effektivt. Fra undersøkelsen av T racker 01X innovasjonsseksjonener introdusert ved å bruke lavspent digital kontroll, ladepumper og emitter-følgere for å bekjempeproblemene knyttet til den første arkitekturen. Med et eksitasjonssignal på 1M Hz vil allekretser viser sub 300mW drift med korrekte transientkarakteristikk. Innovasjonen er deretterkompilert til den endelige tracker-arkitekturen (T racker 021). Mens den andre revisjonen fungerer opptil 100kHz, korrekt forsterkning på 2,95 VV, og viser lovende transient oppførsel gjennomsnittlig effektiviteter dårlig ved ≈ 30 %. Ved 1M Hz og høyere slutter brytermodusregulatoren å fungere som tiltenkt,for å la den lineære regulatoren ta seg av de høyere frekvensene. En gjennomsnittlig gate-source spenningpå ≈ 9,9V oppnås med den nye revisjonen, og er årsaken til den større anti-rippelinduktoren.Portspenningen til høysidebryteren er også bredere i frekvens, noe som burde forårsakesvitsjingsfrekvens som skal spres over spekteret, og dermed redusere virkningen. Det digitalelogisk krets bruker svimlende 2,6 kW. Dette unnslipper en 5mΩ − 10mΩ belastning og er årsak tilbekymring selv om det ikke er forstått; bidraget til denne enheten er ikke regnskapsført ieffektivitetsberegning. Den nåværende belastningen til den ikke-inverterende lineære regulatoren fjernesi den lineære regulatoren er uavhengig av brytermodus. Interessante punkter for fremtidig arbeider å øke spenningsforsterkningen til komparatoren, og utvikle tilbakestillingskretser for ladepumpenog bruk av parallelle høysidesvitsjer med forskjellige utgangsinduktorer for å forbedre utgangsrippelen. In radio frequency (RF) transmitters, the largest portion of energy is lost in the power amplifier(PA). This is dude to the constant demand for higher data rates that has produced modulationschemes of increasing complexity. PA’s can be made efficient, however, current modulation schemesincorporate input signals that have a varying amplitude, and therefore require PA’s to run in hardback-off. This forces the overall system to be less efficient. Envelope tracking is the chosentechnology of this investigation, where as others such as envelope-elimination and restoration(EER) pose too many non-linearity’s. Envelope tracking involves the dynamic modulation of thedrain voltage of a RF PA (transistor) that holds the active device in or around its 1dB compressionpoint; this boosts the efficiency. However, the tracker itself must therefore be efficient to makeit work the extra complexity. This is the narrative of the project where a hybrid solution isinvestigated. The switch-mode circuit takes care of the bulk of the RF power located at lowerfrequencies (0Hz − 1M Hz), leaving the linear regulator to handle the higher frequencies (1M Hz −80M Hz) where efficiency is not as critical. A pre-existing masters project is used to create aproof of concept prototype (T racker 011 ) in KiCad that is manufactured, and verified. The resultsyield problems associated with the non-inverting linear regulator; it could not handle the currentload. A simulation is then constructed using Ngspice, and KiCad to simulate the prototype usingaccurate component models; this verifies the incorrect current loading. Two other points are alsonoted, where the gate-source voltage of the high-side switch is on average only ≈ 3.7V , and thatgate driving signal is highly proportional to the input signal. This make the high-side switch act asa source follower; this is not efficient. From the investigation of T racker 01X the innovation sectionis introduced employing low-voltage digital control, charge pumps and emitter-followers to combatthe problems associated with the first architecture. With an excitation signal of 1M Hz, all of thecircuits show sub 300mW operation with correct transient characteristics. The innovation is thencompiled into the final tracker architecture (T racker 021 ). While the second revision functions upto 100kHz, correct gain of 2.95 VV , and shows promising transient behaviour the average efficiencyis poor at ≈ 30%. At 1M Hz and higher, the switch-mode regulator stops to function, as intended,to allow the linear regulator to take care of the higher frequencies. An average gate-source voltageof ≈ 9.9V is obtained with the new revision, and is the reason for the larger anti-ripple inductor.The gate voltage of the high-side switch is also broader in frequency, which should cause theswitching frequency to be spread out over the spectrum, thereby reducing its impact. The digitallogic circuit consumes a staggering 2.6kW ’s. This eludes to a 5mΩ − 10mΩ load and is cause forconcern although it is not understood; the contribution of this unit is not accounted for in theefficiency calculation. The current load of the non-inverting linear regulator is removed resultingin the linear regulator being independent of the switch-mode. Interesting points for future workare to increase the voltage gain of the comparator, developing reset circuity for the charge pumpand using parallel high-side switches with differing output inductors to improve the output ripple.