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APT电源芯片过流保护设计和检测方法优化

2024-07-31 82 上传者：管理员

摘要：平均功率追踪(Average Power Tracking, APT)电源芯片过流失效甚至烧毁会导致整个无线移动通信终端设备无法正常工作。针对这一问题，结合降压(Buck)模式APT电源芯片失效的场景，提出了通过优化过流保护电路参数和有效拦截因制造工艺波动而导致不良电源芯片漏测的措施。一方面，在设计过流保护电路时，选取不同电感值的储能电感，对比不同电感值电路的电流纹波大小，分析不同纹波大小和芯片过流保护之间的关系，给出了通过选择合适的电感值来提高电源过流保护的方法。另一方面，在APT电源芯片生产测试环节使用By Pass模式，直接评估芯片的最大负载电流值与过流保护电流值，有效拦截过流保护不良的芯片。通过以上措施，无线移动通信终端设备的APT电源芯片过流保护的性能得到了质的飞跃，市场产品因为APT电源过流烧毁的概率几乎为0,产品质量信誉得到了很大的提升。

关键词：
APT电源
Buck模式
平均功率追踪
电流纹波
过流保护
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随着通信技术发展，特别是4G和5G移动终端设备的普及，提高终端产品射频前端功率放大器(Power Amplifier, PA)的工作效率成为研究的重点方向。采用新的电源架构替代传统固定电压的供电电源，可以有效提升PA的工作效率。目前，在终端产品射频前端中，高效PA供电技术主要有平均功率追踪(Aver Power Tracking, APT)电源技术和包络跟踪(Envelope Tracking, ET)电源技术。APT电源具有高性价比的优势而被广泛使用，但其在降低移动终端设备功耗的同时，也引入了新的问题，例如APT电源失效和不良导致移动终端设备返修的比例持续增高。目前，针对APT电源应用的研究方向主要有提升APT电源的效率[1]、降低APT电源的噪声[2]和拓展APT电源的带宽[2-3],而关于APT电源在应用过程中发生失效或烧毁的相关研究较少。

在无线终端产品开发设计和商用过程中，APT电源失效有3种场景：①APT电源过流保护规格设计不合理，负载电流超出了APT电源规格从而失效；②APT电源外围电路设计应用不当，纹波电压过大，触发APT电源过流保护，导致终端设备功能失效；③APT电源芯片存在瑕疵，在生产制造过程中无法有效拦截，从而导致在移动终端设备使用过程中发生失效或烧毁。针对上述失效场景，常采用以下两种方法降低风险：一是降低过流保护规格，限制APT电源的输出规格，但该方法会使APT电源的实际输出负载能力下降，导致APT电源供电的PA输出功率下降[4],移动终端设备的性能恶化；二是增加APT电源芯片的输出环路滤波电容，减少电压纹波，或在电源输入端选用瞬态电压抑制二极管[5],降低电源输入的浪涌电压来减少应用失效的风险。但会导致成本增加，电源的响应滞后，过充变大，引起PA的过压烧毁。

针对上述问题，本文从过流保护的根源入手，结合纹波失效的原理和常用的APT电源芯片[6]典型电路设计，提出通过调整APT电源的储能电感大小提升APT电源过流保护的解决措施。另一方面，对比测试市场返修的APT电源芯片的过流值大小，提出一种通过直接检测芯片最大负载电流值和过流保护电流能力来拦截APT电源过流保护(Over Current Protection, OCP)不良的方法，以检测出过流保护性能不满足规格的芯片，避免引发移动终端产品APT电源烧毁的风险。

1、APT电源及过流保护

APT电源的工作情况如图1所示。APT电源为降压模式，主要由开关场效应管S1、和S2、储能电感L和滤波电容C组成[7-8]。UC为S1和S2的控制信号，在1个周期内，电路具有两种工作状态：①S1导通、S2关断(外圈回路),VIN为负载供电，同时为L充电；②S2导通、S1关断(内圈回路),L放电[8]。因此，通过调节脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)占空比可以调节输出电压大小[8]。图1中，L、C为APT电源外部电路，IL为储能电感上流通的电流，IL真实表征了负载的实时电流大小。因此，APT电源采用IL作为APT电源过流保护的采样输入电流。

图1 APT电源的工作情况

APT电源过流保护原理如图2所示。APT在工作过程中，通过检测储能电感峰值电流来判断该电流是否超过器件过流保护电流IOCP。通常需满足ILOAD+1/2Iripple<IOCP。其中，Iripple为纹波电流。

触发APT电源过流保护有3种状态：①由于ATP电源规格造型不当引发的IOCP过低；②电路负载电流设计不合理引发的负载电流ILOAD过大；③纹波电流Iripple大于IOCP,分别如图3所示。

图2 APT电源过流保护原理

图3 触发APT电源过流保护的3种状态

2、 APT电源电路纹波过大导致过流保护的设计优化

Buck模式APT电源储能电感与纹波电流的关系如公式(1)所示，APT电源的带负载能力如公式(2)所示。式(1)中，f为开关电源的开关频率。由式(1)可知，在APT电源电路中，储能电感L越小，纹波电流Iripple越大。

参考APT电源芯片(AW37426)的[6]参考设计电路和外围电路参数制作电源评估板[9],如图4所示。输出滤波器电容COUT为4.7 μF,储能电感L1采用0805封装，选取两种典型电感值(0.47、1 μH)做对比测试。结合终端产品应用的典型场景确定实验条件进行验证，VIN=4 V、VCON=1.3 V(通过VCON设置VOUT=3.3 V); APT电源芯片(AW37426)的过流保护电流为1.3 A,按照上述电路参数，ILOAD电流为1.2 A以上。

图4 APT电源评估板设计电路

实验测试ILOAD在600、900、1 000 mA的情况下，输出电压VOUT与电感峰值电流IL(max)的变化。评估板拉载测试结果见表1。

表1评估板拉载测试结果

由表1可知，在相同的负载电流下，L1=0.47 μH时的电感峰值电流大于L1=1.00 μH时的电感峰值电流。逐步增大负载电流，当ILOAD=1 000 mA、L1=0.47 μH时，电感峰值电流为1.32 A,大于过流保护电流IOCP=1.3 A的门限，触发了过流保护功能，输出电压降低为2.7 V。相同情况下，L1=1.00 μH时的电感峰值电流为1.230 A,未触发过流保护，输出电压正常。由此可知，相同APT电源芯片，储能电感为0.47 μH,当ILOAD为1.0 A时，提前触发了过流保护，无法正常工作，而储能电感为1.00 μH,ILOAD电流为1.0 A时，APT电源可正常工作。

由式(1)可得，当L1为0.47 μH和1 μH时，Iripple分别为0.6 A和0.3 A。根据式(2),当IOCP=1.3 A时，可倒推得到以上两种电感取值情况下的ILOAD最大值：当L1=0.47 μH时，ILOAD=1 A就触发过流保护机制；当L1=1 μH时，ILOAD=1.15 A才触发过流保护机制，和上述实验测试数据一致。由此可知，储能电感的大小是影响过流保护的关键参数。在相同的APT电源参数条件下，综合电路设计选型要求(如尺寸、高度等),可以选择满足系统最大负载电流ILOAD要求的储能电感来提升APT电源芯片OCP保护的能力。

3、APT电源芯片OCP性能检测方法的优化

APT电源OCP性能不良的芯片被用到终端产品中，是市场APT电源失效的另一个原因。APT电源芯片的过流保护电路如图5所示[10]。在电路中，通过采集输入电压VIN与开关管节点电压VSW间的电压差，经过运算放大器转换得到采样电流ISENSE1:

采样电流ISENSE1通过1∶1电流镜隔离后，得到采样电流ISENSE2=ISENSE1,再经过电阻R转换输出得到输出电压VSENSE:

VSENSE=VIN-2R·ISENSE2(4)

在电流镜上端内部参考源电路中，由若干采样MOS管构成参考电路内阻RSENSE,通过设定测试模式MOS管控制调节采样MOS管的导通数量k来调整电路的内阻，得到不同的参考电压VREF:

将输出电压VSENSE和参考电压VREF输入电流门限比较器进行比较。当发生过流时，VSENSE大于VREF,使得电流门限比较器翻转，再通过逻辑控制器控制APT电源Buck主电路中的上管S1断开、下管S2导通，切断VIN输入后，电路仅通过电感续流，输出电压将逐渐降低达到保护电路的目的。

图5 APT电源芯片的过流保护电路

APT电源芯片生产加工过程中OCP性能测试方法[3]如下：设定1个固定的ILOAD电流(约440 mA),采集S1管两端的电压(VIN和VSW),设置芯片工作在测试模式，可获得确定的ISENSE和VSENSE。对比VSENSE和预设VREF的大小，通过判断输出电压是否正常来确定APT电源芯片的OCP性能是否满足规格要求。该方法由于电流门限比较器加工工艺波动，存在失调电压VOS,影响VSENSE和VREF电压比较结果，使其与实际数值有偏差，导致不满足OCP规格的芯片在生产过程中无法被有效拦截。

实验选取8片APT电源芯片生产测试正常的样本，其中5片在实际市场应用中发生了OCP失效，3片为OCP正常，测量电源芯片实际过流保护电流IOCP值和采样电流ISENSE值。每个采样电流ISENSE均对应一个理论的过流保护电流，实测过流保护电流和理论值之间的差异定义为IOCP,即理论偏差值。过流保护电流和实测采样电流的对比结果见表2。

表2过流保护电流和实测采样电流的对比结果

由表2可知，每个ISENSE值理论上都对应1个固定的过流保护电流IOCP值，然而8片芯片的IOCP理论过流保护电流和实测过流保护电流存在差异，有的甚至偏差大于50 mA。综上，APT电源芯片生产过程工艺波动导致产生失调电压VOS,引起APT电源芯片OCP性能波动，但这个差异在上述的方法中无法被有效拦截。

基于此，本文提出一种在芯片生产线上有效拦截OCP性能不良芯片的优化测试方法，具体步骤如下：①设置芯片进入100%占空比，APT电源芯片工作在最大输出电压工作状态，VIN=4 V,VOUT=4 V;②设置APT电源芯片进入By Pass模式，S1导通，S2断开，ILOAD电流接近芯片的IOCP。芯片负载电流ILOAD=1.4 A(芯片IOCP最大通流能力1.3 A的基础上增加一定裕度),使芯片处于极限工作场景；③S2断开，VSW电压约等于VIN,芯片持续工作20～30 ms, 测试APT电源芯片是否发生OCP:当OCP正常，VSW输出电压正常；若OCP不良，VSW输出电压为0,不良芯片被有效拦截。

通过测试方案的优化，实验中的5片不良品在优化后的拦截测试中都触发了OCP,被有效拦截。该优化方法模拟APT电源芯片实际工作的极限条件，用于APT电源芯片大规模生产的管控，避免了失调电压VOS导致的误差，能有效拦截OCP不良的器件。

4、结论

市场上APT电源的OCP失效与芯片制造工艺波动、APT电源的外围器件参数都有密切的关系。在外围电路设计方面，根据实际的输出电流要求，选择电感值大的储能电感，减少纹波电流，最大限度地提升APT电源的过流保护能力；在芯片制造测试环节，设置芯片进入By Pass模式，测试APT电源的最大负载电流，替代固定检测电流的方案，按照芯片最大负载电流来评估芯片的OCP能力，有效拦截芯片生产过程中的OCP不良品。按照上述两种措施，一方面优化终端产品的电路设计，另一方面在APT电源芯片生产线采用新的测试方法，可以使加工生产的无线移动通信终端产品，在实际使用过程中再无APT电源失效的现象发生。

参考文献:

[4]张玉兴.射频模拟电路[M].北京:电子工业出版社,2003:134-137.

[5]张瑜诚,刘月,莫太山.一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路:CN202210011646.4[P].2022-05-10.

[6]上海艾为电子技术股份有限公司.AW37426LGR[EB/OL].

[7]刘力,刘少龙,王云鹏,等.一种新型过流保护设计[J].通信电源技术,2023,40(16):7-9.

基金资助:广东省自然科学基金项目(项目编号:2020A1515010461);

文章来源:何惠琴,陈瑛,董宁.APT电源芯片过流保护设计和检测方法优化[J].湖北理工学院学报,2024,40(04):5-9.