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 modulasjon ordninger med økende kompleksitet. PA-er kan imidlertid gjøres effektive, men nåværende modulasjonsordninger inkorporerer inngangssignaler som har en varierende amplitude, og derfor krever at PA-er kjører hardt inn gå vekk. Dette tvinger det totale systemet til å være mindre effektivt. Konvoluttsporing er valgt teknologien i denne undersøkelsen, hvor som andre som konvolutt-eliminering og restaurering (EER) utgjør for mange ikke-lineariteter. Konvoluttsporing involverer dynamisk modulering av dreneringsspenning til en RF PA (transistor) som holder den aktive enheten i eller rundt dens 1dB kompresjon punkt; dette øker effektiviteten. Men selve trackeren må derfor være effektiv å lage det gjør den ekstra kompleksiteten. Dette er fortellingen om prosjektet hvor en hybridløsning er undersøkt. Switch-mode-kretsen tar seg av hoveddelen av RF-effekten som ligger på lavere frekvenser (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 en proof of concept prototype (T racker 011 ) i KiCad som er produsert, og verifisert. Resultatene gi problemer forbundet med den ikke-inverterende lineære regulatoren; den kunne ikke håndtere strømmen laste. 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 også bemerket, hvor portkildespenningen til høysidesvitsjen i gjennomsnitt bare er ≈ 3,7V , og at portdrivsignalet er svært proporsjonalt med inngangssignalet. Dette får høysidebryteren til å fungere som en kildefølger; dette er ikke effektivt. Fra undersøkelsen av T racker 01X innovasjonsseksjonen er introdusert ved å bruke lavspent digital kontroll, ladepumper og emitter-følgere for å bekjempe problemene knyttet til den første arkitekturen. Med et eksitasjonssignal på 1M Hz vil alle kretser viser sub 300mW drift med korrekte transientkarakteristikk. Innovasjonen er deretter kompilert til den endelige tracker-arkitekturen (T racker 021). Mens den andre revisjonen fungerer opp til 100kHz, korrekt forsterkning på 2,95 VV, og viser lovende transient oppførsel gjennomsnittlig effektivitet er 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 spenning på ≈ 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 forårsake svitsjingsfrekvens som skal spres over spekteret, og dermed redusere virkningen. Det digitale logisk krets bruker svimlende 2,6 kW. Dette unnslipper en 5mΩ − 10mΩ belastning og er årsak til bekymring selv om det ikke er forstått; bidraget til denne enheten er ikke regnskapsført i effektivitetsberegning. Den nåværende belastningen til den ikke-inverterende lineære regulatoren fjernes i den lineære regulatoren er uavhengig av brytermodus. Interessante punkter for fremtidig arbeid er å øke spenningsforsterkningen til komparatoren, og utvikle tilbakestillingskretser for ladepumpen og 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 modulation schemes of increasing complexity. PA’s can be made efficient, however, current modulation schemes incorporate input signals that have a varying amplitude, and therefore require PA’s to run in hard back-off. This forces the overall system to be less efficient. Envelope tracking is the chosen technology 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 the drain voltage of a RF PA (transistor) that holds the active device in or around its 1dB compression point; this boosts the efficiency. However, the tracker itself must therefore be efficient to make it work the extra complexity. This is the narrative of the project where a hybrid solution is investigated. The switch-mode circuit takes care of the bulk of the RF power located at lower frequencies (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 a proof of concept prototype (T racker 011 ) in KiCad that is manufactured, and verified. The results yield problems associated with the non-inverting linear regulator; it could not handle the current load. A simulation is then constructed using Ngspice, and KiCad to simulate the prototype using accurate component models; this verifies the incorrect current loading. Two other points are also noted, where the gate-source voltage of the high-side switch is on average only ≈ 3.7V , and that gate driving signal is highly proportional to the input signal. This make the high-side switch act as a source follower; this is not efficient. From the investigation of T racker 01X the innovation section is introduced employing low-voltage digital control, charge pumps and emitter-followers to combat the problems associated with the first architecture. With an excitation signal of 1M Hz, all of the circuits show sub 300mW operation with correct transient characteristics. The innovation is then compiled into the final tracker architecture (T racker 021 ). While the second revision functions up to 100kHz, correct gain of 2.95 VV , and shows promising transient behaviour the average efficiency is 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 voltage of ≈ 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 the switching frequency to be spread out over the spectrum, thereby reducing its impact. The digital logic circuit consumes a staggering 2.6kW ’s. This eludes to a 5mΩ − 10mΩ load and is cause for concern although it is not understood; the contribution of this unit is not accounted for in the efficiency calculation. The current load of the non-inverting linear regulator is removed resulting in the linear regulator being independent of the switch-mode. Interesting points for future work are to increase the voltage gain of the comparator, developing reset circuity for the charge pump and using parallel high-side switches with differing output inductors to improve the output ripple.