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パワーアンプ効率計算ツール (PAEおよびドレイン効率)

RF パワーアンプのPAE、ドレイン効率、ゲイン、および Pout、ピン、DC バイアスからの熱放散を計算します。PA 設計には不可欠です。無料ですぐに結果が得られます。

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公式

PAE=(Pout−Pin)/Pdc×100PAE = (Pout − Pin) / Pdc × 100%
PAE— パワーアップによる効率 (%)
Pout— RF 出力パワー (mW)
Pin— RF 入力パワー (mW)
Pdc— 直流電源電圧 (直流電圧 × 直流) (mW)
η_D— ドレイン効率 (出力/Pdc) (%)

仕組み

パワーアンプの効率は、DCからRFへの電力変換を測定します。ワイヤレスインフラストラクチャのエンジニア、送信機の設計者、およびバッテリ駆動デバイスの開発者は、効率指標を使用して熱放散を最小限に抑え、動作時間を最大化します。Crippsの「ワイヤレス通信用RFパワーアンプ」（第2版）によると、ドレイン効率 eta_D = P_RF_out / P_DC は、アンプのトポロジーに応じて 25%（クラスA）から 90%（クラスE/F）の範囲です。

電力付加効率 PAE = (P_RF_out - P_RF_in) / P_DC は ドライバ電源を考慮したもので、これは高ゲインシステムで重要になります。ゲインが15dBの20 Wアンプで40WのDCを消費する場合、 eta_D = 20/40 = 50% ですが、 P_RF_in = 20/31.6 = 0.63 W なので、PAE = (20-0.63) /40 = 48.4% となります。PAE は高ゲインでドレイン効率に収束します。

クラウスの「ソリッドステート無線工学」に基づくクラス定義:クラス A (伝導角 360 度、理論上最大 50%) は一定のバイアス電流で直線的に動作します。AB クラス (180～360度、50～ 78%) は静止電流を低減して効率を高めます。クラス B (180 度、最大 78.5%) では静止電流は不要です。クラス C (180 度未満、最大 90%) は高効率ですが、非線形です。D/E/F級スイッチングアンプは、ゼロ電圧またはゼロ電流スイッチングによって 90% 以上の効率を実現します。最新の 5G 基地局は Doherty アーキテクチャを採用しており、6 dB の出力バックオフで PAE が 50 ～ 55% に達しています。

計算例

問題：ドレイン効率が 45%、ゲインが 15 dB の 100 W セルラー基地局パワーアンプの熱管理を設計します。

効率分析: 1。直流消費電力: P_DC = P_RF_out / eta_D = 100 / 0.45 = 222 W

  1. 入力 RF パワー: P_RF_in = 100 W/10^ (15/10) = 100/31.6 = 3.16 W
  2. パワーアド効率:PAE = (100-3.16)/222 = 43.6%
  3. 熱放散: P_heat = P_DC - P_RF_out = 222 - 100 = 122 W

MIL-HDBK-217F に準拠した熱設計:

  1. ジャンクション・トゥ・ケースの熱抵抗: Rth_jc = 0.5 C/W (標準LDMOS)
  2. 最大 接合部温度: T_j_max = 175 C (GaN) または 200 °C (LDMOS)
  3. 周囲温度: T_amb = 55 C (屋外キャビネット)
  4. ケースと周囲との最大熱抵抗:
Rth_ca = (T_j_max - T_amb) / P_heat - Rth_jc Rth_ca = (175-55)/122-0.5 = 0.48 C/W
  1. ヒートシンク要件:0.48 C/W (強制空冷の場合)
-自然対流ヒートシンク:通常、最低 1-3 C/W -解決策：ファン冷却 ヒートシンクまたは液冷式コールドプレート

効率改善オプション:

  1. ドハーティPA: 8 dB OBO 時効率 52% — 同じ出力でも 31 ワットを節約
  2. エンベロープトラッキング:平均 55% の効率 — 40 W の節約
  3. デジタル・プリディストーション (DPD) により飽和に近い動作が可能:+3% の効率

実践的なヒント

  • ✓リニアアプリケーション（セルラー、WiFi）では定格出力でPAEを指定し、8〜10 dBのバックオフに設定してください。飽和効率は、PAPRが高い信号では誤解を招きます
  • ✓生産システムのリニア PA には 30 ～ 50% の効率、コンスタントエンベロープ (FM、FSK) またはスイッチングアンプの場合は 60 ～ 70%、リニア効率が 70% を超えるという主張には高度な技術 (Doherty、ET、アウトフェーズ) が必要
  • ✓バッテリアプリケーションでは、電力確率分布よりも平均効率を考慮してください。ピーク効率が 50% でも、標準出力レベルでの効率が 20% のPAは、40%/35% の設計よりも多くの電力を浪費します。

よくある間違い

  • ✗飽和時のみの効率測定-実際の信号（OFDM、LTE）のピーク対平均比（PAPR）は8〜12 dBで、8 dBのバックオフ時の効率は飽和効率の3〜4倍低くなります。効率は必ず動作時のバックオフポイントで指定してください。
  • ✗熱暴走リスクの軽視 — GaAsおよびGaNデバイスはドレイン電流の温度係数が正であり、ヒートシンクが不十分だと、高出力時に熱暴走と壊滅的な故障が数秒以内に発生する
  • ✗ドライバ段の電力を無視 — 10% の効率で動作する100W PA用の10Wドライバは100WのDCを消費し、最終段の消費電力に等しくなります。システム効率の計算にはすべての段階を含めます。
  • ✗効率比較のために間違った電源電圧を使用する — I^2*R_on 損失が減少するため、電源電圧が低くなるほど効率が上がる。同じ電源電圧と出力電力でアンプを比較する

よくある質問

Crippsによると、アンプのクラスとリニアリティ要件によって異なります。クラスAリニア:25～ 35% (理論上最大 50%)。クラス AB リニア:標準値の 35～ 50%（理論上の 78%）。クラス B (プッシュプル): 50 ～ 65% 達成可能。クラス C (FM/レーダー): 65-80%クラス D/E/F (スイッチング): 80-95%。ドハーティ（セルラー基地局）：8 dB OBOで45～ 55%エンベロープトラッキング（ハンドセット）：信号分布全体の平均 40 ～ 50%。業界ベンチマーク：セルラー基地局は定格電力で 45% を超えるPAEを予測しています。携帯電話は、電力範囲全体で平均効率が 40% を超えると予想しています。
効率は周波数とともに低下します。(1) 寄生容量が大きいほど無効電力の循環が多く必要になる、(2) トランジスタのゲインが低いほどドライバ段の数が増える、(3) マッチングネットワーク損失がQファクタとともに増加する。一般的な劣化:同じトポロジでも、2 GHz では 45% が 6 GHz では 35% に低下します。GaNテクノロジーは、動作電圧が高く (I^2*R損失が低く)、寄生成分が小さいため、GaAsやLDMOSよりもマイクロ波周波数で高い効率を維持します。30 GHz 以上では、25 ～ 35% のPA効率は最先端技術です。
Crippsの分析による主な要因：(1) アンプのクラス — 伝導角に基づいて理論上の最大値を決定します。(2) デバイス・テクノロジー — GaN > LDMOS > GaAs > Siにより、同じ周波数での電力密度と効率が得られます。(3) 負荷インピーダンス — 効率の最適な負荷は直線性のために負荷とは異なるため、妥協が必要です。(4) 供給電圧 — 電圧が高いほど I^2*R_on 損失は減少しますが、デバイスのストレスは増加します。(5) 動作点 —バックオフ操作は効率を大幅に低下させます。（6）ネットワークQのマッチング — Qが高いほど損失が大きくなります。（7）Signal PAPR —効率の平均値ピーク時だけではなく振幅分布
ドレイン効率 eta_D = P_RF_out / P_DC は、PA段のDC-RF変換のみを測定します。電力付加効率 PAE = (P_RF_out - P_RF_in) / P_DC は、ドライバの要件を考慮して、入力RF電力を減算します。高ゲイン (> 15 dB) では、PAE はドレイン効率とほぼ同じになります。ゲインが低い (10 dB) 場合、PAE はドレイン効率よりも約 10% 低くなります。PAE はドライバを含む実際の消費電力を反映するため、システム効率の観点からは PAE を使用してください。デバイスの特性評価では、ドレイン効率によって出力段の性能が分離されます。
5G/LTE基地局は複数の手法を採用しています。(1) ドハティアーキテクチャ — 補助アンプは高電力で動作し、バックオフ時の効率を 25% から 45-55% に向上させます。(2) デジタルプリディストーション (DPD) — PAを線形化することで、飽和に近い動作が可能になり、効率が +3-5% 向上します。(3) エンベロープトラッキング (ET) — 信号エンベロープに従うように電源電圧を変調し、50～ 60% の効率を実現します。携帯電話。(4) GaNトランジスタ — 高電圧動作 (28-48V対12V LDMOS) により、電流損失とI^2*R損失を低減します。(5) キャリアアグリゲーション管理 — パワーマルチプルキャリアごとに別々の PA を使用するのではなく、効率的な共有 PA からキャリアを運送します。

方法論と参考文献

参考文献

  • RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 2nd ed. — Steve C. Cripps (2006), Chapter 2 — Efficiency definitions
  • Microwave Engineering, 4th ed. — David M. Pozar (2011), Chapter 12 — Power amplifier gain and PAE

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