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發布日期：2022-10-14 點擊率：80
在小功率無線產品射頻開關電路設計中，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，設計工作就變得復雜起來，通常需要使用PIN Diode射頻開關。無線時代在近期的一款大功率無線設備研發過程中，就使用了Skyworks的SKY12207-478LF PIN Diode開關，并為其設計了合適的驅動電路，通過調試，已經可以正常工作。
SKY12207-478LF主要特征
SKY12207-478LF工作原理概述
我們暫且不對SKY12207-478LF的細節工作原理做深入的探討。下圖是SKY12207-478LF的等效框圖，其導通狀態由加在ANT端的5V及TX/RX端的28V/0V偏置電壓來決定，例如，處于發射狀態下，TX設置為0V，而RX端設置為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的參考設計電路及對應的真值表。
那么，只要構建出符合真值表的驅動電路，就可以使SKY12207-478LF正常工作。
PIN Diode射頻開關驅動電路設計
這個產品是無線時代網站之前提到過的超大功率射頻功率放大器，驅動電路設計分析過程如下：
我參照了DCDC的開關電路，設計了如下的驅動電路，原理圖中PIN Diode射頻開關型號為SKY12210-478LF，與SKY12207-478LF pin-to-pin。其中，來自收發判別電路的TX_EN與RX_EN邏輯電平總是相反的，這樣，Q3，Q5不能同時導通，Q6，Q8也不能同時導通。當然這種方法有一定的局限性，開關頻率過高時可能會出現問題，很多電源芯片在這方面都做了特殊處理，本設計不做考慮。
驅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。當來自收發判別電路的TX_EN為“1”時，RX_EN為“0”，Q5導通，Q4截止，Q3的Vgs=0，Q3截止，對應的RX28網絡對地短路，即TX與RXBIAS端口均為0V；Q8的Vgs=0，Q8截止，Q7導通，Q6的Vgs<0，Q6導通，對應的TX28網絡連接至28V電源，即RX端口為28V，符合真值表。當來自收發判別電路的TX_EN為“0”時，RX_EN為“1”時，MOS管導通/截止狀態與上述過程相反，同樣滿足真值表。
PIN Diode射頻開關驅動電路調試
在確定收發判別電路可以正確地給出邏輯電平之后，發現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。設計過程中已經仔細確認過，Si2308完全可以勝任1A以上的電流，而TX26與RX28網絡都有限流電阻，流過Q8的電流不可能超過1A，那么唯一的可能就是Q6導通了！TX_EN為“0”時，RX_EN為“1”時，Q7正確地處于截止狀態，Q6的Vgs=0，按理說Q6不可能導通，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SKY12207-478LF終于可以正常工作了。
在這次調試設計與調試過程中，無線時代充分融合了各個電路模塊的設計調試經驗，采用與DCDC類似的驅動電路，并使用了PoE電路中的高壓MOS管，最終實現了對PIN Diode射頻開關的驅動。在后來的研究中，發現有很多現成的PIN Diode開關驅動芯片，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），是在兩種半導體之間的PN結，或者半導體與金屬之間的結的鄰近區域，吸收光輻射而產生光電流的一種光檢測器。普通的二極管由PN結組成，在P和N半導體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導體層,組成的這種P-I-N結構的二極管就是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。用改變結構尺寸及選擇PIN二極管參數的方法，使短路的階梯脊波導的反射相位（基準相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導的反射相位相同。還要求加負電壓（或0偏置）的PIN管控制的短路波導的反射相位與標準相位相反（-164°～+164°之間即可）。
PIN Diode（二極管）射頻開關驅動電路設計與調試續（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了問題，為了防止誤導讀者，我在此做出修正。
前文提到Si2309異常損壞，后經過仔細推敲，分析，發現有兩方面原因，一是N-MOS在應該截止的時刻意外導通，二是Si2309的Vgs超過了其最大承受范圍。
在下圖中，當系統處于接收狀態時，RX_EN應為邏輯1，TX_EN應為邏輯0，按照正常計算，當TX_EN為邏輯1時，A7導通，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導通了，這與Si2309中所描述的天壤之別，如下圖，當Vgs為0.7V時，Id應為0，Si2309應處于截止狀態，而實際并非如此。
無奈之際，我想到了三極管，FMMT493TC是一顆用在TPS2379參考設計中的高壓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，一定會使其導通，于是采用分壓的方法提供基極偏置電壓。最終調整完成的原理圖如下（其中No Load即為不貼裝），經過長期測試，不再出現異常。
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