基于PIN Diode射频开关的大功率无线设备调试

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。