在小功率无线产品射频开关电路设计中,我们常常选用 CMOS,GaAs,SOI 等工艺的射频器件,其外围电路很简单,通常只需要配合电阻电容就可以正常工作。但是在大功率场合,设计工作就变得复杂起来,通常需要使用 PIN Diode 射频开关。无线时代在近期的一款大功率无线设备研发过程中,就使用了 Skyworks 的 SKY12207-478LF PIN Diode 开关,并为其设计了合适的驱动电路,通过调试,已经可以正常工作。

 


SKY12207-478LF 主要特征

高功率,CW (Continue Wave)50W,峰值功率 300W

低插入损耗,典型值 0.4dB

高隔离度,42dB@2.6GHz

适用于 TD-SCDMA,WiMAX,LTE 基站等设备

 

SKY12207-478LF 工作原理概述

我们暂且不对 SKY12207-478LF 的细节工作原理做深入的探讨。下图是 SKY12207-478LF 的等效框图,其导通状态由加在 ANT 端的 5V 及 TX/RX 端的 28V/0V 偏置电压来决定,例如,处于发射状态下,TX 设置为 0V,而 RX 端设置为 28V。

 

 

SKY12207-478LF 的偏置电压为 28V,这与功率管 LDMOS 的供电电压一致。Datasheet 中给出了 SKY12207-478LF 的参考设计电路及对应的真值表。

 

 

 

那么,只要构建出符合真值表的驱动电路,就可以使 SKY12207-478LF 正常工作。

 

PIN Diode 射频开关驱动电路设计

这个产品是无线时代网站之前提到过的超大功率射频功率放大器,驱动电路设计分析过程如下:

来自收发判别电路的逻辑电压为 5V,用 5V 的逻辑电压实现对 28V 偏置电压的控制,MOS 管是最佳选择

同样的端口(TX/RX/RXBIAS)可以提供 28V 供电,也可以实现对地短路,同时还可以可以提供合适的偏置电流

符合真值表的控制逻辑

Vds>50V,Ids>100mA

 

尽量选用封装尺寸较小的器件

我参照了 DCDC 的开关电路,设计了如下的驱动电路,原理图中 PIN Diode 射频开关型号为 SKY12210-478LF,与 SKY12207-478LF pin-to-pin。其中,来自收发判别电路的 TX_EN 与 RX_EN 逻辑电平总是相反的,这样,Q3,Q5 不能同时导通,Q6,Q8 也不能同时导通。当然这种方法有一定的局限性,开关频率过高时可能会出现问题,很多电源芯片在这方面都做了特殊处理,本设计不做考虑。

 

驱动电路中使用了四颗 NMOS 与两颗 PMOS,都是 Vishay 公司的 SOT-23 封装的 MOS 管。当来自收发判别电路的 TX_EN 为“1”时,RX_EN 为“0”,Q5 导通,Q4 截止,Q3 的 Vgs=0,Q3 截止,对应的 RX28 网络对地短路,即 TX 与 RXBIAS 端口均为 0V;Q8 的 Vgs=0,Q8 截止,Q7 导通,Q6 的 Vgs<0,Q6 导通,对应的 TX28 网络连接至 28V 电源,即 RX 端口为 28V,符合真值表。当来自收发判别电路的 TX_EN 为“0”时,RX_EN 为“1”时,MOS 管导通 / 截止状态与上述过程相反,同样满足真值表。

 

PIN Diode 射频开关驱动电路调试

 

在确定收发判别电路可以正确地给出逻辑电平之后,发现 Q8 特别容易损坏,很容易想到一定是有较大的电流流过 Q8,才会这样。设计过程中已经仔细确认过,Si2308 完全可以胜任 1A 以上的电流,而 TX26 与 RX28 网络都有限流电阻,流过 Q8 的电流不可能超过 1A,那么唯一的可能就是 Q6 导通了!TX_EN 为“0”时,RX_EN 为“1”时,Q7 正确地处于截止状态,Q6 的 Vgs=0,按理说 Q6 不可能导通,那么唯一的可能就是 Q6 有较大的漏电流。

 

 

从 Si2309 的 Datasheet 中仍然看不出问题,索性将 Si2309 更换为 Si2305,同样是一颗 PMOS,出现于 TI 的 TPS23754 802.3at PD 解决方案中,Si2305 的典型特征是很高的工作电压,可以达到 -150V。将 Q3,Q6 均更换为 Si2305,PIN Diode 射频开关 SKY12207-478LF 终于可以正常工作了。

 

在这次调试设计与调试过程中,无线时代充分融合了各个电路模块的设计调试经验,采用与 DCDC 类似的驱动电路,并使用了 PoE 电路中的高压 MOS 管,最终实现了对 PIN Diode 射频开关的驱动。在后来的研究中,发现有很多现成的 PIN Diode 开关驱动芯片,也有采用分立元件的方法,有兴趣的读者可以研究研究。

 

附:什么是 PIN Diode

PIN 二极管(posiTIve-intrinsicnegaTIve diode,缩写为 PIN Diode),是在两种半导体之间的 PN 结,或者半导体与金属之间的结的邻近区域,吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。普通的二极管由 PN 结组成,在 P 和 N 半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种 P-I-N 结构的二极管就是 PIN 二极管。

 

 

加负电压(或零偏压)时,PIN 管等效为电容+电阻;加正电压时,PIN 管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择 PIN 二极管参数的方法,使短路的阶梯脊波导的反射相位(基准相位)与加正电压的 PIN 管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压(或 0 偏置)的 PIN 管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反(-164°~+164°之间即可)。

 

PIN Diode(二极管)射频开关驱动电路设计与调试续(2014 年 6 月 25 日)

本文前几天提到的解决方案,在后来的测试中出现了问题,为了防止误导读者,我在此做出修正。

 

前文提到 Si2309 异常损坏,后经过仔细推敲,分析,发现有两方面原因,一是 N-MOS 在应该截止的时刻意外导通,二是 Si2309 的 Vgs 超过了其最大承受范围。

 

在下图中,当系统处于接收状态时,RX_EN 应为逻辑 1,TX_EN 应为逻辑 0,按照正常计算,当 TX_EN 为逻辑 1 时,A7 导通,Q6 的 Vgs=28*(1/11 – 1)= -24.5V,超出了 Si2309 Datasheet 中+-20V 的范围。

 

 

实际测试时,一件意想不到的事情发生了,TX_EN 为逻辑 0 时,实际的电压值时 0.7V,而这小小的 0.7V 竟然令 Q7 导通了,这与 Si2309 中所描述的天壤之别,如下图,当 Vgs 为 0.7V 时,Id 应为 0,Si2309 应处于截止状态,而实际并非如此。

 

 

无奈之际,我想到了三极管,FMMT493TC 是一颗用在 TPS2379 参考设计中的高压 NPN 三极管,其工作电压大于 100V,Ic 更可以达到 1A,完全可以符合这个 PIN Diode 驱动电路的要求。如前所述,逻辑 0 是有 0.7V 左右的电压,如果直接加在 FMMT493TC,一定会使其导通,于是采用分压的方法提供基极偏置电压。最终调整完成的原理图如下(其中 No Load 即为不贴装),经过长期测试,不再出现异常。