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Note de lecture: Titre du document Low Cost Surface Mount Power Limiters Auteur

Note de lecture: Titre du document Low Cost Surface Mount Power Limiters Auteur: Avago technologies Date apparition: juillet 2010 résumé techniques de conception des limitteurs de puissance low cost opérant à moins de 2GHZ. * techniques circuits * Surfaces Mount Design (SMD) * Annulation des inductances parasite * Chainage des diodes limiteurs (espacement de ¼ lambda) I- caractéristiques des limitteurs: La qualité des limitteurs est mesurée par les caractéristiques suivantes:  Faible pertes d’insertion dans la bande de fonctionnement du circuit à protéger  haute perte pour les signaux excédant les seuils de puissance toléré par le circuit à protéger  reponse rapide de l’ordre de nanoseconde à l’arrivée des signaux dépassant le seuil limite de puisasnce.  retour à l’état de fonctionnement normal dès que la puissance des signaux arrivées est en dessous de seuil accepté II- Principe de base de diode limitteur de type PIN Les diodes PIN sont constitués de trois couches:  couche dopé positive: P+  couche intrinsèque faiblement dopé et de largeur W très petite  couche dopé négatif: N+ La diode est alimenté par un courant DC dans le sens de polarisation directe. quand le courant passant par la diode est en dessous d’une valeur seuil, la diode acte comme une capacité de faible valeur et une résistance très grande; par conséquent la puissance dissipé est très faible. Quand le courant dépasse le seuil (le seuil de la diode est défini par la largeur de la zone intrinsèque et le dopage des couches P+ et N+, les charges électriques (électrons et trous) sont poussés vers la zone intrinsèque et par conséquent la diode devient équivalent à une résistance de faible valeur et permet ainsi de dissiper la puissance électrique. Schéma d’un limitteur de puissance à base de diode PIN La largeur typique de la zone intrinsèque est de 2µm à 15 µm. si la largeur est petite, le seuil de la diode est réduit et la réponse de la diode est rapide, par contre la tension de claquage serait être réduite. Si la largeur est plus grande, la réponse de la diode est lente. Le document présente un schéma de paramètre d’atténuation en fonction de la largeur de la couche intrinsèque. III- prise en compte du package Les caractéristiques finales de la diode dépendent aussi de packaging de la diode dans le circuit. La température maximal de la jonction et la résistance thermique entre la jonction et l’aire ambiant impacte les performances de la diode. La puissance dessipé (Pd) par la diode peut être estimé en fonction de la résistance thermique du package , la température maximale de la jonction (Tjmax) et la température ambiante (Ta) comme suit: Pd= (Tjmax-Ta)/(resistance thermique du package) Les inductances induites par les connexions et jonctions influencent les performances de la diode: perte d’insertion, fréquence de fonctionnement et temps de réponse. Le packaging ideal doit respecter les performances suivantes: - broadband - resistance thermique faible - assemblage facile - coût réduit Le fournisseur Avago technologies propose le bolt channel package présentant les perfromances suivantes: - bande passe basse avec un fc supérieure à 12Ghz. - faible perte d’insertion (donné dans le data sheet à une fréquence de 9.4 Ghz). - possibilité d’intégrer ce package dans une ligne microstrip de 50ohm. The Avago Technologies bolt channel limiter 5082-3071 est implémenté dans des applications militaires et civiles mais son coût limite son utilisation dans des applications publique à grande échelle comme les recepteurs GPS à 1.5Ghz. C’est pourquoi Avago propose des packaging SOT23 (Surfaces outline Transistor). Ces packages sont adaptés aux différents types de soudures (wave soldering, infrared reflow soldering, vapor phase reflow soldering). L’inconvénient principal du packages SOT23 est la longueur des connexions des composants éléctroniques. À haute fréquence, ces connexions constituent des inductances parasites qui limitent la bande de fréquence de limitteur. Une autre parasite importante est causée par les capacités des pieds opposés des connexions de la diode (0.008 pF) La mise en circuit et le layout de la carte PCB augmentera la résistance thermique des jonctions de la diode. Cependant, dans les tests formels, la diode HSMP-4820 a pu supporter une puisssance de 8w à 10w à 25°C. Pour estimer la tenue en puissance à haute température, il faut réduire la puissance de 10w (à 25°c) liniairement à 0 watts (150°C). Pour calculer la capacité de la diode à manipuler des pulsations, il faut multiplier le signal incident par le facteur montré sur le schéma IV- comment étendre la fréquence limite de fonctionnement de la diode Afin d’étndre la fréquence limite de fonctionnement de la diode, il faut réduire au maximum les inductances parasites causés par la connectique et le packaging interne de la diode. La connectique de la carte PCB sur laquelle la diode sera montée Inductance du packaging de la diode: La méthode proposée par Avago est l’utilisation d’une diode PIN “stitch bonded” voir figure ci-dessous: Ce produit est une diode monté sur surface avec deux fil de liaison à la partie non connecté du package. Avec l’utilisation de deux fils opposés, les inductances s’annulent mutuellement (LB=0), en plus avec deux inductances en parralèle, l’impédance équivalente est divisé par deux (Léquivalente=LL/2). L’inductance total du circuit est réduite de 2nH à 0.75nH. Inducatnce induite par la carte PCB L’inductance de la carte PCB dépend de plusieurs paramètres tels que: les trous, les fils, l’épaisseur de la carte, le type de mettalisation... L’impact de ces inducatnces est plus important que le packaging de la diode (ordre de 19 ohm à 2Ghz). ce comportement est illustré sur la figure 4. Avec ces inductances parasites dû aux cartes PCB, la diode PIN HSMP-3820 peut être recommandé pour des limitteurs de puissances de 500 Mhz. Prise en considération de la ligne de transmission dans des microstrip coplanaire Quand une device de type SMD est monté sur une microstrip, l’utilisation des trous pour shuntés le device avec la masse de l’autre face de microstrip introduit des complications causés par les inductances parasites de ces trous. L’utilisation des ligne coplanaire (guide d’onde coplanaire: CPW pour coplanar waveguide) réduit ces impacts (la plaque de la masse est sur la même surface que la ligne de transmission du signal) Afin de permettre le montage d’une diode SOT23 comme le montre la figure 7, il faut garder le dimensionnement 2b=0.055 inch L’impédance de la ligne de transmission peut être calculé via un logiciel appCAD ou MWTLC (Microwave Transmission Line Calculator). Comme le microstrip, CPW est sensible aux effets des couvertures supérieures et inférieures du boîtier dans lequel la carte est montée, ainsi que le couplage entre les lignes de transmission. Voir la figure 10. Quelques bonnes règles à suivre lors de l’utilisation du CPW sont les suivantes: Si D> 2b, Zo est indépendant de l’épaisseur du substrat. Gardez S1> 3b. Si H1> 4b et H2> 3b, les couvertures peuvent être ignorés dans tous les calculs de Zo. Maintenir S2> 5b pour éviter le couplage entre les lignes adjacentes. Pour obtenir des meilleures performances du circuit, il faut maintenir en égalité le potentiel des deux zones de la masse en tout point. Cette condition est réalisée par l’ajout des jonctions (bridge conductrice) entre les deux couches de la masse à chaque lambda/4 et lambda/2. Aussi pour garder la phase des courants éléctriques en égalité, des bridges conductrices peuvent être implémentées entre les deux plans de la masse. Pour éviter un couplage entre le plan de la ligne de trasmission et les bridges, ces bridges peuvent être implémentés dans le dos du circuit et connectés aux plans des masses via des trous. Les bridges conductrices peuvent être utilisés dans les courbures de lignes de transmission (figure 14) La transition entre un CPW et un microstrip peut être réalisée comme montré sur la figure 15: Avago Technologie propose un materiel dielectrique HT-2 basé sur “cyanate ester resin chemestry” et présentant des performances meilleures par rapport à Fr4. Les pertes à 6GHZ sont 0.6/lambda . la figure ci-après présente les performances de HT-2 et FR-4 V- Circuits de tests avec une seule diode Les implémentations de la diode sont étudiées dans 4 scénarii : deux en microstrip et deux en Coplanar guideWave (CPW) microstrip Circuit 1: montage de la diode sur la ligne conductrice et la masse Microstrip Circuit 2: montage de la diode sur la ligne conductrice séparée par petit gap CPW Circuit 3: montage de la diode sur la ligne conductrice séparée par petit gap et deux bridges CPW Circuit 4: montage de la diode avec deux pattes sur les lignes masse et la cathode sur la ligne de transmission Etude des caractéristiques éléctriques des circuits précédents L’étude des circuits précédents portes sur la perte d’insertion (loss insertion) et sur l’isolation (atténuation en haute puissance. Circuit Microstrip: Le circuit 1 est équivalent à un circuit RLC en série comme suit: Il s’agit d’un circuit LC :L=0.3 (connexion à la masse)+ 0.5 (connexion interne du package)+ 0.25 (connexion de deux pattes en parallèles du package). La résonnance de ce circuit est de l’ordre de 5.4 Ghz (w= uploads/Geographie/ fiche-de-lecture-des-diodes-pin-d-x27-avago2 1 .pdf