在小功率無線產(chǎn)品射頻開關(guān)電路設(shè)計中，我們常常選用CMOS，GaAs，SOI等工藝的射頻器件，其外圍電路很簡單，通常只需要配合電阻電容就可以正常工作。但是在大功率場合，設(shè)計工作就變得復(fù)雜起來，通常需要使用PIN Diode射頻開關(guān)。無線時代在近期的一款大功率無線設(shè)備研發(fā)過程中，就使用了Skyworks的SKY12207-478LF PIN Diode開關(guān)，并為其設(shè)計了合適的驅(qū)動電路，通過調(diào)試，已經(jīng)可以正常工作。
SKY12207-478LF主要特征
- 高功率，CW （Continue Wave）50W，峰值功率300W
- 低插入損耗，典型值0.4dB
- 高隔離度，42dB@2.6GHz
- 適用于TD-SCDMA，WiMAX，LTE基站等設(shè)備
SKY12207-478LF工作原理概述
我們暫且不對SKY12207-478LF的細節(jié)工作原理做深入的探討。下圖是SKY12207-478LF的等效框圖，其導(dǎo)通狀態(tài)由加在ANT端的5V及TX/RX端的28V/0V偏置電壓來決定，例如，處于發(fā)射狀態(tài)下，TX設(shè)置為0V，而RX端設(shè)置為28V。
SKY12207-478LF的偏置電壓為28V，這與功率管LDMOS的供電電壓一致。Datasheet中給出了SKY12207-478LF的參考設(shè)計電路及對應(yīng)的真值表。
那么，只要構(gòu)建出符合真值表的驅(qū)動電路，就可以使SKY12207-478LF正常工作。
PIN Diode射頻開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計
這個產(chǎn)品是無線時代網(wǎng)站之前提到過的超大功率射頻功率放大器，驅(qū)動電路設(shè)計分析過程如下：
- 來自收發(fā)判別電路的邏輯電壓為5V，用5V的邏輯電壓實現(xiàn)對28V偏置電壓的控制，MOS管是最佳選擇
- 同樣的端口（TX/RX/RXBIAS）可以提供28V供電，也可以實現(xiàn)對地短路，同時還可以可以提供合適的偏置電流
- 符合真值表的控制邏輯
- Vds>50V，Ids>100mA
- 盡量選用封裝尺寸較小的器件
我參照了DCDC的開關(guān)電路，設(shè)計了如下的驅(qū)動電路，原理圖中PIN Diode射頻開關(guān)型號為SKY12210-478LF，與SKY12207-478LF pin-to-pin。其中，來自收發(fā)判別電路的TX_EN與RX_EN邏輯電平總是相反的，這樣，Q3，Q5不能同時導(dǎo)通，Q6，Q8也不能同時導(dǎo)通。當(dāng)然這種方法有一定的局限性，開關(guān)頻率過高時可能會出現(xiàn)問題，很多電源芯片在這方面都做了特殊處理，本設(shè)計不做考慮。
驅(qū)動電路中使用了四顆NMOS與兩顆PMOS，都是Vishay公司的SOT-23封裝的MOS管。當(dāng)來自收發(fā)判別電路的TX_EN為“1”時，RX_EN為“0”，Q5導(dǎo)通，Q4截止，Q3的Vgs=0，Q3截止，對應(yīng)的RX28網(wǎng)絡(luò)對地短路，即TX與RXBIAS端口均為0V；Q8的Vgs=0，Q8截止，Q7導(dǎo)通，Q6的Vgs<0，Q6導(dǎo)通，對應(yīng)的TX28網(wǎng)絡(luò)連接至28V電源，即RX端口為28V，符合真值表。當(dāng)來自收發(fā)判別電路的TX_EN為“0”時，RX_EN為“1”時，MOS管導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)與上述過程相反，同樣滿足真值表。
PIN Diode射頻開關(guān)驅(qū)動電路調(diào)試
在確定收發(fā)判別電路可以正確地給出邏輯電平之后，發(fā)現(xiàn)Q8特別容易損壞，很容易想到一定是有較大的電流流過Q8，才會這樣。設(shè)計過程中已經(jīng)仔細確認過，Si2308完全可以勝任1A以上的電流，而TX26與RX28網(wǎng)絡(luò)都有限流電阻，流過Q8的電流不可能超過1A，那么唯一的可能就是Q6導(dǎo)通了！TX_EN為“0”時，RX_EN為“1”時，Q7正確地處于截止?fàn)顟B(tài)，Q6的Vgs=0，按理說Q6不可能導(dǎo)通，那么唯一的可能就是Q6有較大的漏電流。
從Si2309的Datasheet中仍然看不出問題，索性將Si2309更換為Si2305，同樣是一顆PMOS，出現(xiàn)于TI的TPS23754 802.3at PD解決方案中，Si2305的典型特征是很高的工作電壓，可以達到-150V。將Q3，Q6均更換為Si2305，PIN Diode射頻開關(guān)SKY12207-478LF終于可以正常工作了。
在這次調(diào)試設(shè)計與調(diào)試過程中，無線時代充分融合了各個電路模塊的設(shè)計調(diào)試經(jīng)驗，采用與DCDC類似的驅(qū)動電路，并使用了PoE電路中的高壓MOS管，最終實現(xiàn)了對PIN Diode射頻開關(guān)的驅(qū)動。在后來的研究中，發(fā)現(xiàn)有很多現(xiàn)成的PIN Diode開關(guān)驅(qū)動芯片，也有采用分立元件的方法，有興趣的讀者可以研究研究。
附：什么是PIN Diode
PIN二極管（positive-intrinsicnegative diode，縮寫為PIN Diode），是在兩種半導(dǎo)體之間的PN結(jié)，或者半導(dǎo)體與金屬之間的結(jié)的鄰近區(qū)域，吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光檢測器。普通的二極管由PN結(jié)組成，在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層,組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管就是PIN 二極管。
加負電壓（或零偏壓）時，PIN管等效為電容+電阻；加正電壓時，PIN管等效為小電阻。用改變結(jié)構(gòu)尺寸及選擇PIN二極管參數(shù)的方法，使短路的階梯脊波導(dǎo)的反射相位（基準(zhǔn)相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位相同。還要求加負電壓（或0偏置）的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位與標(biāo)準(zhǔn)相位相反（-164°～+164°之間即可）。
PIN Diode（二極管）射頻開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計與調(diào)試續(xù)（2014年6月25日）
本文前幾天提到的解決方案，在后來的測試中出現(xiàn)了問題，為了防止誤導(dǎo)讀者，我在此做出修正。
前文提到Si2309異常損壞，后經(jīng)過仔細推敲，分析，發(fā)現(xiàn)有兩方面原因，一是N-MOS在應(yīng)該截止的時刻意外導(dǎo)通，二是Si2309的Vgs超過了其最大承受范圍。
在下圖中，當(dāng)系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時，RX_EN應(yīng)為邏輯1，TX_EN應(yīng)為邏輯0，按照正常計算，當(dāng)TX_EN為邏輯1時，A7導(dǎo)通，Q6的Vgs=28*(1/11 - 1)= -24.5V，超出了Si2309 Datasheet中+-20V的范圍。
實際測試時，一件意想不到的事情發(fā)生了，TX_EN為邏輯0時，實際的電壓值時0.7V，而這小小的0.7V竟然令Q7導(dǎo)通了，這與Si2309中所描述的天壤之別，如下圖，當(dāng)Vgs為0.7V時，Id應(yīng)為0，Si2309應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，而實際并非如此。
無奈之際，我想到了三極管，F(xiàn)MMT493TC是一顆用在TPS2379參考設(shè)計中的高壓NPN三極管，其工作電壓大于100V，Ic更可以達到1A，完全可以符合這個PIN Diode驅(qū)動電路的要求。如前所述，邏輯0是有0.7V左右的電壓，如果直接加在FMMT493TC，一定會使其導(dǎo)通，于是采用分壓的方法提供基極偏置電壓。最終調(diào)整完成的原理圖如下（其中No Load即為不貼裝），經(jīng)過長期測試，不再出現(xiàn)異常。
