新型HELP技術(shù)與開關(guān)調(diào)節(jié)器在3G手機(jī)中的應(yīng)用

　　1?? 問題呈現(xiàn)與面對(duì)

　　當(dāng)今已是第三代移動(dòng)通信(3G)時(shí)代，手機(jī)設(shè)計(jì)人員正忙于開發(fā)新的方案，以解決具有wcb瀏覽、無線收發(fā)電子郵件、拍照以及流送視頻等多種功能高速數(shù)據(jù)傳輸所帶來的一系列新問題。其日益增加的壓力是將上述功能合并到一個(gè)尺寸不斷減少的外殼中，并同時(shí)提供更長(zhǎng)的工作時(shí)間。尤其是必需傳輸更高的功率和更優(yōu)的線性度及更好的效率。最重要的是，手機(jī)必須有更長(zhǎng)的通話時(shí)間，因?yàn)橛脩粜枰馁M(fèi)更多時(shí)間使用他們的手機(jī)。也就是說日益增加的特性是應(yīng)在低輸出電壓上對(duì)可變功率作驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。但影響電池工作時(shí)間的一個(gè)重要因素是電源效率及系統(tǒng)電源管理。以往，手機(jī)中用于發(fā)送信號(hào)的功率放大器(PA)由電池直接驅(qū)動(dòng)，雖簡(jiǎn)單但效率不佳。而當(dāng)今最關(guān)鍵的是高速數(shù)據(jù)傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。因此，為保持足夠長(zhǎng)的電池工作時(shí)間，目前已有新的驅(qū)動(dòng)力來重新思考更多地采用開關(guān)調(diào)節(jié)器類型的選擇。由此采用基于獨(dú)特的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)，將是一種有效方案。

　　然而需要特別指出的是，在過去幾年中手機(jī)用電池技術(shù)雖有不斷改進(jìn)，但是仍然落后于功能擴(kuò)展的需求。為此，設(shè)計(jì)人員必須用減少手機(jī)功耗來滿足高功率輸出和更長(zhǎng)通話時(shí)間的需求，即靠手機(jī)中的半導(dǎo)體設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。由于功率放大器(PA)是當(dāng)前龐大需求的一個(gè)組件，因此立足于通過從功率控制來減少電流消耗，即高效率低功率（HELP）技術(shù)，是一種很有效的設(shè)計(jì)方案。

　　基于上述二種理念，有多種設(shè)計(jì)方案可先后應(yīng)用。本文將從技術(shù)發(fā)展的迸程，僅以下列二種新技術(shù)方案為例作研討。

　　⑴ 采用一種高度專門化設(shè)計(jì)的降壓型DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器來驅(qū)動(dòng)功率放大器。這是當(dāng)今越來越廣泛受到蜂窩電話制造商們非常青睞的一種方案。當(dāng)然，通過增加外部的DC/DC轉(zhuǎn)換器和偏置電壓控制可以優(yōu)化單鏈路功放在低功率輸出時(shí)的效率，以達(dá)到增長(zhǎng)通話時(shí)間。但是一個(gè)DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)也必將帶來增加手機(jī)的尺寸及成本，將使手機(jī)設(shè)計(jì)變復(fù)雜，因?yàn)槭謾C(jī)必須在不同的模擬控制狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)。于是就有了第二個(gè)設(shè)計(jì)方案開發(fā)與應(yīng)用。

　　⑵ 將眾多的功率控制功能集成到功放模塊上，其集成功率控制功能不僅僅強(qiáng)調(diào)當(dāng)前功耗的問題，并提供了更有效的手機(jī)設(shè)計(jì)方法。該芯片集成允許手機(jī)設(shè)計(jì)人員不使用單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器和旁路電容，來優(yōu)化功率管理和獲取更長(zhǎng)的通話時(shí)間。該控制功放功耗的一種方案是在較寬的輸出功率范圍內(nèi)提高效率，就是基于優(yōu)化低功率輸出的需求。因?yàn)槭謾C(jī)大部分時(shí)間工作在低功率水平，大約在-4dBm的功率級(jí)。假設(shè)在PA和天線之間的電路損失大約為3dB，那么PA的輸出功率大約為 -ldBm。在低功率級(jí)(低于0dBm)，功放主要消耗的是靜態(tài)電流。在-ldBm輸出功率時(shí)，功放的靜態(tài)電流通常約為50mA。通過在低功率級(jí)減少靜態(tài)電流提高功放效率，設(shè)計(jì)人員可以大量減少功率損耗。然而直到最近，該方法還是有缺陷的，因?yàn)橛糜谑謾C(jī)的典型雙狀態(tài)的單鏈路PA只能在最大額定功率下進(jìn)行優(yōu)化，這使得手機(jī)在低功率水平下工作時(shí)的效率很低。

　　2? 基于開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)以提高發(fā)3G手機(jī)發(fā)送效率的設(shè)計(jì)方案

　　從最先進(jìn)3G手機(jī)基本架構(gòu)所知，其日益增加的特性對(duì)可變功率驅(qū)動(dòng)提出新要求。如對(duì)圖像處理的應(yīng)用處理器，在視頻捕捉期間需要高達(dá)360mW的功率，會(huì)很快耗盡電池的能量。于是電源效率及系統(tǒng)電源管理就成為影響電池一個(gè)重要因素。由于電源轉(zhuǎn)換過程中會(huì)發(fā)熱，就是獨(dú)特的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)引入的必然。如今已有新的驅(qū)動(dòng)力并具有較高工作效率的開關(guān)調(diào)節(jié)器可選擇。值此以擴(kuò)展頻譜技術(shù)的低噪聲開關(guān)調(diào)節(jié)器與低壓差、脈寬調(diào)制DC-DC降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器為例，對(duì)提高手機(jī)發(fā)送效率的設(shè)計(jì)方案作分析。

　　2.1 采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)的低噪聲開關(guān)調(diào)節(jié)器

　　在最先進(jìn)的3G手機(jī)中，所有部件都如此密集以至于不存在這種嚴(yán)重噪聲干擾可能性。況且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不現(xiàn)實(shí)。采用開關(guān)調(diào)節(jié)器的其中一個(gè)代價(jià)是有可能產(chǎn)生諧波噪聲。但已成功使用的一項(xiàng)技術(shù)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)時(shí)鐘偽隨機(jī)抖動(dòng)，這種力法及其所實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展頻譜運(yùn)作使開關(guān)頻率受一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列調(diào)制，以減少窄帶諧波。這其實(shí)是將噪聲“分散”到整個(gè)頻率范圍上，而不是集中在分別的諧波上。由于擴(kuò)頻噪聲的峰值限度要低許多，故可極大地降低干擾。盡管這種方法中過去已成功地用分立組件實(shí)現(xiàn)，但工藝的改進(jìn)已允許將擴(kuò)頻技術(shù)包含到“更新的”DC/DC轉(zhuǎn)換器中，從而可節(jié)省極大的空間。以LTC3251開關(guān)調(diào)節(jié)器為例作說明。

　　在芯片上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻工作的一款I(lǐng)C LTC3251是輸出電流達(dá)500mA的高效、低噪聲及無電感器型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。LTC325l的擴(kuò)頻振蕩器被設(shè)計(jì)成可產(chǎn)生頻率1MHz與 1.6MHz之間而周期為隨機(jī)變化的時(shí)鐘脈沖，這擁有將開關(guān)噪聲分散到整個(gè)頻率范圍上的好處。圖1為L(zhǎng)TC3251引腳功能與應(yīng)用示意圖。

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圖1為L(zhǎng)TC3251是引腳功能與應(yīng)用示意圖

　　該開關(guān)調(diào)節(jié)器可避開線性穩(wěn)壓器的效率缺點(diǎn)，通過低阻抗開關(guān)及—個(gè)磁性存儲(chǔ)組件，可提供高達(dá)96%的轉(zhuǎn)換效率，故可極大地減少轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。通過在較高的開關(guān)頻率(譬如大于2MH2)工作，可極人地減少外部電感器及電容器的尺寸。該開關(guān)調(diào)節(jié)器對(duì)最新3G手機(jī)而言是很有效的系統(tǒng)電源管理，例如用于圖像處理的應(yīng)用處理器上。

　　2.2 用低壓差、脈寬調(diào)制(PWM)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器提高發(fā)送效率的方案

　　⑴ 低壓差、脈寬調(diào)制(PWM)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器MAX1821可為WCDMA手機(jī)功率放大器(PA)供電設(shè)計(jì)，當(dāng)然，它也可以用于其它需要優(yōu)先考慮高效率的應(yīng)用。供電電壓范圍2.6V～5.5V，保證輸出電流達(dá)600mA，1MHz PWM開關(guān)頻率允許采用小尺寸外部元件，跳頻模式使輕載靜態(tài)電流降低至180?A。MAX1821可以動(dòng)態(tài)控制，提供0.4V～3.4V的輸出電壓范圍。在電壓和電流的滿量程范圍內(nèi)，該電路的設(shè)計(jì)能夠保證在<30?s內(nèi)建立輸出電壓。MAX1821通過外部電阻設(shè)置輸出電壓，提供1.25V～5.5V固定輸出電壓范圍。

　　MAX1821具有一個(gè)低導(dǎo)通電阻的內(nèi)部MOSFET開關(guān)和同步整流器，大大提高了轉(zhuǎn)換效率、減少了外部元件數(shù)；100%占空比在600mA負(fù)載下(包括外部電感電阻在內(nèi))允許壓差僅有150mV。圖2(a)所示為基于開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)以提高發(fā)送效率的設(shè)計(jì)框圖。

圖2 (a) 基于開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)以提高發(fā)送效率的設(shè)計(jì)框圖，（b）基站收發(fā)器系統(tǒng)(BTS)部件

　　基站收發(fā)器系統(tǒng)(BTS)部件包括天線、無線電收發(fā)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及支持、控制硬件和軟件，見圖2（b）所示。

　　對(duì)于廣域蜂窩站，接收器—般通過雙上器模塊和塔頂部件連接到天線。塔頂部件由低噪聲放大器(LNA)組成，在發(fā)送端天線前饋連高功率放大器(HPA)。從圖2(a)中可看出，實(shí)際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，也組成了1MHZ脈寬調(diào)制降壓轉(zhuǎn)換器，其PWM開關(guān)頻率為1MHZ。

　　⑵開關(guān)調(diào)節(jié)器為WCDMA功放優(yōu)化配置，有利于提高發(fā)送效率的運(yùn)行

　　實(shí)際上，重點(diǎn)是從系統(tǒng)性能的角度對(duì)特殊用途的MAX1820開關(guān)調(diào)節(jié)器有些什么樣的特殊性能作分析，從而優(yōu)化配置的運(yùn)行也顯而易見了。

　　從圖2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821這樣的高效率開關(guān)調(diào)節(jié)器能動(dòng)態(tài)地調(diào)整WCDMA功率放大器的供電電壓，并使其跟隨功放的發(fā)送功率而變化，又剛好能滿足射頻信號(hào)的幅度要求。既可以提高電源的利用率，又減少了功率浪費(fèi)。采用開關(guān)調(diào)節(jié)器高效率地實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)，在峰值發(fā)送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節(jié)省電池功率，見圖3所示。

圖3高效率開關(guān)調(diào)節(jié)器大幅度地節(jié)省電池功率圖

　　因?yàn)榉逯倒β手挥性谑謾C(jī)遠(yuǎn)離基站/或數(shù)據(jù)傳送時(shí)需要.。從總體來講，這種方案的省電效果是非常顯著的。如果功放的供電電壓能夠在一個(gè)足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)高效率地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，那么，就有可能采用固定增益的線性功放，省掉目前廣泛應(yīng)用于3G時(shí)代前電話的偏置控制。

　　⑶ 作為負(fù)載的功放及其特性

　　從雙極工藝的固定增益WCDMA功率放大器的負(fù)載曲線所知，在峰值發(fā)送功率時(shí)，功率需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA～600mA的電流。在最低發(fā)送功率時(shí)，也就是當(dāng)靠近基站并且只發(fā)送話音時(shí)，功放僅吸取30mA的電流和0.4V～1V的電源電壓。對(duì)應(yīng)的功放消耗功率分別為 2040mW（最大值）和12mW（最小值）。針對(duì)具有此類負(fù)載特性的功放，要對(duì)開關(guān)調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化并非易事，而MAX1821 WCDMA蜂窩電話降壓型調(diào)節(jié)器能滿足這種要求。

　　除上述以外，MAX1821區(qū)別于其它類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器的特殊性能如下：

　　其一是在很寬負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率。沒有高效率采用開關(guān)調(diào)節(jié)器就失去意義，因此，高效率和省電是MAX1821的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想。其二是輸出電壓的快速轉(zhuǎn)變和建立（30μs）。

　　在WCDMA系統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)送功率需要根據(jù)基站的要求，每666μs向上或向下調(diào)節(jié)1dB，以跟隨WCDMA功放的發(fā)射功率電平。此外，每隔 10ms，手機(jī)會(huì)發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變。其三是穩(wěn)定工作于9.5%～100%PWM占空比和低壓差。假設(shè)手機(jī)由單節(jié)鋰離子電池(4.2V-2.7V) 供電，那么輸入開關(guān)調(diào)節(jié)器的電壓范圍大約是4.2v～2.7v，為了獲得可預(yù)知的噪聲頻譜和低輸出紋波，應(yīng)該盡量采用恒定的開關(guān)頻率，MAX1821的強(qiáng)制PWM工作模式在電池完全充電至4.2v且要求功放電源電壓為0.4v時(shí)，可穩(wěn)定工作于最低至9.5%的占空比。

　3? 基于HELP技術(shù)可提高移動(dòng)通信終端省電方案

　　3.1 HELP技術(shù)

　　HELP技術(shù)是將功率控制功能集成到功放模塊上，是半導(dǎo)體集成InGaP-Plus技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

　　其ANADIGICS的InGaP-Plus技術(shù)，通過使用多條增益鏈路來設(shè)計(jì)功率放大器，以解決功放的優(yōu)化問題。該技術(shù)允許在同一晶體上分別優(yōu)化高性能的射頻開關(guān)和功率放大器。使用這項(xiàng)技術(shù)提供了第一個(gè)3x3mm單頻（如AWT*1型）和3x5mm雙頻（如AWT6221型）WCDMA 低功率高效率功率放大器。使得功放在不同功率水平可以進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化。采用ANADIGICS的HELP技術(shù)，不需要外部電壓調(diào)節(jié)器或DC/DC轉(zhuǎn)換器即可提供低功耗。而InGaP-P1us技術(shù)是集成虛同晶高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)管(圖4左所示G S/D場(chǎng)效應(yīng)管)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(圖4右所示EBC雙極晶體管)在同一個(gè)晶片上，實(shí)現(xiàn)了兩路功放的多級(jí)優(yōu)化。兩路功放的多級(jí)優(yōu)化具體分析如下。

圖4 為HELP(高效率低功率)技術(shù)示意圖

　　將高性能的射頻開關(guān)共存在相同的晶體上，該工藝可以用于設(shè)計(jì)多種增益鏈路的功放，并可以為每一增益鏈路進(jìn)行獨(dú)立的線性度和效率優(yōu)化。 InGaP-Plus技術(shù)是將低功率高效率設(shè)計(jì)成一個(gè)雙狀態(tài)(高功率與低功率)功放，獲得功放的最優(yōu)性能。其InGaP-Plus技術(shù)的功放可在內(nèi)部對(duì)高功率和低功率進(jìn)行優(yōu)化。

　　使用于InGaP-Plus技術(shù)己設(shè)計(jì)出低功率高效率3型(HELP3)功放，通過內(nèi)部?jī)?yōu)化可延長(zhǎng)手機(jī)通話時(shí)間超過25%。當(dāng)然，像單一鏈路功放一樣，也可搭配一個(gè)外部DC/DC轉(zhuǎn)換器節(jié)省更多電流。但是額外電流的節(jié)省是不值得的，相比會(huì)增加費(fèi)用和電路板面積。

　　低功率高效率3型功放，己特別推出了三增益狀態(tài)，允許分別優(yōu)化三種不同的功率等級(jí)。例如，可優(yōu)化高功率增益(通常大約28dBm)，16dBm 的*率增益以及在7dBm的低功率增益。此制程在低功率等級(jí)達(dá)到低于7mA的靜態(tài)電流，比單一鏈路功放中典型的50mA的靜態(tài)電流要小得多。

　　3.2 應(yīng)用InGaP-Plus技術(shù)的的WCDMA功放模塊靜態(tài)電流和效率對(duì)比數(shù)據(jù)舉例

　　以AWT*1與AWT6221R兩種型號(hào)為代表，均是根據(jù)先進(jìn)的InGaP-Plus技術(shù)制造，具備質(zhì)量可靠、溫度穩(wěn)定、耐用性佳等良好性能。

　　⑴ AWT*1是雙重運(yùn)作模式。在高功率及中/低功率輸出時(shí)，提供了最佳效能，關(guān)機(jī)模式與低漏電壓設(shè)計(jì)，增加手機(jī)的通話與待機(jī)時(shí)間。其自載的 3mmx3mmx1mm表面封裝包含了配對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的輸出功率、50Ω系統(tǒng)的效率和線性度。AWT*1為波段1，低功率(16dBm)的靜態(tài)電流 (ICQ)及效率為7mA/24%，尺寸是3×3mm。

　　⑵ AWT6221R 產(chǎn)品是為手機(jī)業(yè)Cingular的北美WCDMA雙模蜂窩網(wǎng)絡(luò)手機(jī)的需求而布局。3mmx5mmx1mm，符合RoHS包裝的表面封裝機(jī)體，包含獨(dú)立的射頻功率放大路徑，確保雙波段的最佳性能。與2個(gè)單頻的功率放大器相比較，足足節(jié)省25%的印刷電路板面積。制造商選用封裝針腳，能夠輕易發(fā)送VCC到功率放大器和一般VMODE的簡(jiǎn)易控制針腳。AWT6221，為波段2+5，低功率(16dBm)的靜態(tài)電流(ICQ)及效率對(duì)波段2為7mA/18%，波段5為7mA/22%，尺寸是3×5mm。

　　4? 結(jié)束語

　　上述是采用開關(guān)型降壓調(diào)節(jié)器在功放與InGaP-Plus技術(shù)的HELP功放的應(yīng)用方案，具有發(fā)送效率提高和節(jié)電效果。當(dāng)然這種方案同樣也可用于其它的3G標(biāo)準(zhǔn)和更多不同的終端設(shè)備，使小型化、個(gè)性化的數(shù)據(jù)手機(jī)及無線移動(dòng)運(yùn)算的理想成為現(xiàn)實(shí)。

　　如今低功率高效率技術(shù)功放與朝向低電壓邏輯的移動(dòng)手機(jī)制造商并駕齊驅(qū)。新型號(hào)的HELP3功放以1.8V邏輯電壓設(shè)計(jì)。這些功放將提供更長(zhǎng)的通話時(shí)間，并進(jìn)一步減少靜態(tài)電流少于4mA。