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      5G AAU 功放控制和監測模塊簡析

      發布時間:2021-07-03 來源:Joyce Li 責任編輯:wenwei

      【導讀】第五代移動通信技術(即5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation,簡稱5G或5G技術)是最新一代蜂窩移動通信技術,也是繼4G(LTE、WiMax)、3G(UMTS、WCDMA)和2G(GSM)系統之后的延伸。相比于4G技術,5G 有三大突出優勢:
       
      1. eMBB Enhanced Mobile Broadband,即增強型移動寬帶,比4G具有更高的上傳、下載速率,可以進一步滿足用戶對于極致網速的要求。2. uRLLC Ultra-Reliable Low latency, 即超可靠低時延通信,在此場景下,連接時延要達到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網、無人駕駛、工業控制、遠程醫療等特殊應用。3. mMTC ,massive Machine Type Communications,即海量機器類通信,支持海量終端互聯,實現大規模物聯網業務,可以快速促進各垂直行業(智慧城市、智能家居、環境監測等)的深度融合。
       
      實現以上5G特點,最重要的技術變革就是5G采用了massive MIMO技術,即多天線大規模多輸入輸出。其實,MIMO技術在通信上應用不是新鮮事,但5G采用了massive MIMO技術,它是MIMO的擴展,它通過在基站上增加大量天線來擴展到傳統系統。數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。隨著天線數量的增加,網絡和移動設備都實現了更復雜的設計來協調MIMO操作。Massive MIMO利用了三個關鍵概念,即空間分集、空間復用和波束成形?;谝陨?,5G Massive MIMO基站最大特點是采用64TR或者32TR天線系統,并且將RRU和天線整合在一起,天線不再像4G時代拉遠放置。本文將簡要闡述在5G Massive MIMO系統下的功放控制以及檢測模塊系統的簡要分析,并提出TI的全套解決方案。
       
      5G 功放系統是TX的重要組成部分,起到功率發射、基站覆蓋的功能,尤其是在64TR 32TR系統里,功放數量大幅上升,功放的效率以及散熱會在整個AAU系統中都是耗能的大頭。所以功放監控電路設計可以起到高效控制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,橫向擴散MOS)技術,技術成熟,稍顯陳舊,成本低;GaN PA是基于三五族工藝的氮化鎵(GaN)技術,GaN的主要優點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,低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好,而LDMOS在高頻下受到挑戰。GaN技術性能比LDMOS更好,非常適合5G高頻應用的需求,不過價格相對更貴。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。通過調節柵壓電平可以起到控制PA功率輸出的目的。
       
      5G AAU 功放控制和監測模塊簡析
      圖1:GaN 和LDMOS PA的簡化工作原理
       
      一般來說,5G AAU系統一個TX通道的額定發射功率在5W~10W量級,5G功放系統一般采用多級功放級聯的形式,來實現大功率輸出的目的。第二級通常為Doherty架構,圖2為傳統對稱Doherty功率放大器電路示意圖。Doherty功率放大器主要由4個部分組成: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,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,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。
       
      5G AAU 功放控制和監測模塊簡析
      圖2 Doherty PA架構示意圖
       
      功放柵壓控制DAC
       
      控制PA柵壓的DAC器件是5G功放監控系統的核心器件,由于5G AAU系統中天線數量較4G時代增加不少,對于DAC通道數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,每通道需要3個DAC供PA的柵壓。對于64TR AAU系統,則總共需要64*3=192個通道的DAC。AMC7932是TI新 推出的高集成32通道12bitDAC,其內部還集成12bit SAR型 250KSPS ADC以及片上溫度傳感器。
       
      相較于上一代AMC7836,DAC的數量從16通道升級到32通道,對于AAU場景,DAC芯片數量可以降低。其中32通道DAC,分為2個group,每個group都可以支持正負壓供電。每個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??梢灾С諰DMOS以及GaN PA方案。其中集成的ADC可以用來轉換放置在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、溫度和對應的DAC柵壓電壓的查找表,便于系統快速配置功放功率。圖3是AMC7932的常用原理圖,對接的為LDMOS類型的PA。
       
       
      5G AAU 功放控制和監測模塊簡析
      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生;二是檢測當前功放的溫度,如果系統調整柵壓,需要根據溫度查找表找出需要配置DAC的柵壓數值。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字接口傳感器,模擬輸出的傳感器可以輸入給AMC7932的ADC進行轉換,再通過SPI傳給FPGA等器件,所以可以節省一個數字通信接口器件,便于系統精簡。TMP235是TI推出的高性能/低成本的模擬溫度傳感器,可以實現typical+/- 0.5C, maximum +/-2.5C -40C~150C溫度范圍。TMP235放置在PA附近,可以多個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,是否有過流等異?,F象發生。電流檢測一般測試Ids的電流,也可以同時檢測多路功放供電。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在功放供電電路上的Shunt電阻上的壓降,再經過內部放大電路,放大輸出給AMC7932的ADC,如圖4所示。INA281的內部放大器的放大倍數有多種檔位,從20V/V到500V/V都有不同的型號,用戶可以按照系統測試電流的范圍進行選擇。需要強調的是,INA281的內部偏移電壓offset voltage(Vos)以及Gain error都非常低,Vos 在+/-55uV級別,gain error在+/-0.5%,可以滿足用戶精準的電流測試需求,并且溫漂性能也在很低的數量級,Vos 溫漂性能在+/-0.1uV/C. Gain drift在+/-20ppm/C。
       
      5G AAU 功放控制和監測模塊簡析
      圖4. INA281工作原理圖
       
      AAU TDD制式下的節能功能
       
      AAU系統由于MIMO的架構,器件數量、功放數量、天線數量都有很大的提升,所以AAU整機功耗也比4G RRU有明顯提高了,降功耗就是AAU的重要目標。而功放功耗占AAU功耗的大頭,功放降功耗也是重要目標。通常功放降功耗可以通過選取高效率的GaN功放、DPD(數字預失真)算法等。此外還可以借助TDD系統的優勢,在上行時隙時關斷PA的柵壓,下行時隙時打開PA的柵壓,可以節省PA的功耗。具體實現方式是在柵壓控制DAC AMC7932輸出到PA柵壓間加上以及開關器件,通過FPGA控制開關器件的打開關斷,實現TDD下PA的工作以及關斷。TMUX4157N就是TI推出的一顆負壓開關,可以用于GaN功放系統,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,TMUX1247就是不錯的選擇。
       
      5G AAU 功放控制和監測模塊簡析
      圖5. 負壓開關TMUX4157N工作示意圖
       
       
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