射频功放PA阐述散热不好会引发的一系列问题
射频学堂 2023-06-08
文章从散热的角度,详细叙述了射频功率放大器PA管子下面的铺地影响,从而阐述散热不好会引发的一系列问题。正文如下:


Thermal的角度来分析,当你下层有地的时候,PA散发的热,可以透过GND Via导到下层地,先把热散掉一部分,其余再散到Main GND
如果下方不铺地的话,就成了这样:
我们知道,电阻与导线的长度成正比,导线越长,电阻越大,发热就越大 而我们又知道
Layer 1 => Main GNDGND Via长度肯定是比
Layer 1 => Layer 2GND Via长度还要来的长
这意味着,如果你光靠Main GND来散热,那么GND Via的电阻会变大,(因为长度较长) 电阻越大,热就越不易传递。换言之,当你下层有铺地,热可以轻易透过GND Via传导过去(因为距离短电阻小)但下层不铺地,那么热就不易透过GND Via传导过去(因为距离长电阻大)此时散热效果就大打折扣,最糟情况是热都传不过去Main GND,全都聚集在PA下方


当PA散热不好时,又会发生什么呢?增益Gain 下降,相应的输出功率就变小。

温度越高,PA的线性度就越差,这样就导致发射信号变差。 如果是GSM/WCDMA/LTE这种对输出功率要求很严格的,可能须做温度补偿,使高温的输出功率,跟常温一样。一但这样,那情况更糟,因为这意味着,你要打更大的DAC / RGI,来达到Target Power,意即收发器的输出功率会变大,如下图  而由下图可知,PAinput,其实就是DAOutput:   
所以让DA的输出功率变大,意味着DA的线性度变差。换言之,可能此时PA inputACLR, EVM就已经不好了,再经过PA这个最大的非线性贡献者,只会更加劣化。再加上高温使PA线性度变差,TX性能的劣化,就更雪上加霜

温度升高,热噪声变大,接收RX的灵敏度就会变差。 当然,GSM是分时多工,TxRX不会同时运作,问题是,有可能RX运作,TX Off时,PCB温度,瞬间从高温降到常温吗? 当然不可能啊,即便TX Off,但PA所导致的PCB温度升高,会使RX灵敏度劣化。

四来是XO会因高温频偏,那么就容易有Frequency error
第五是倘若双工器又离PA特近,那主频功率会大幅衰减因为Duplexer频率响应,是会随温度而有所变动,如果离PA过近,散热又不好,一旦高温使其频率响应有所偏移,那么很可能主频的功率,会大幅衰减。 尤其是像FBAR这种Outband砍比较深的,更会有这种现象



第六就是VCOPhase Noise会因高温变大,如下图  : 而由下图可知,Phase Noise大,会提升讯号的Noise Floor,意即信噪比会下降。
而信噪比又与EVM成反比,如下式[6] :
意即信噪比的下降,会导致EVM的劣化。
参考文献
[1] WCDMA零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析, 百度文库
[2] GSM
射频接收机灵敏度之解析与研究, 百度文库
[3] 晶体振荡器(XO)与压控温补振荡器(VCTCXO)之比较, 百度文库
[4] TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillator
 
[5] 双工器(Duplexer)Layout注意事项, 百度文库
[6] WCDMA之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库

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