DC-DC電源驅動PA提高WCDMA手機發送效率

摘要：MAX1820開關模式電源經過優化，能夠提高W-CDMA手機的發送效率。通過極大地降低功率放大器(PA)的VCC，大大減小了最大發送功率以下各個功率對應的電池電流。針對該應用，對MAX1820的設計進行了單獨的優化。

隨著第三代移動通信(3G)時代的臨近，手機設計師們正忙于開發新的方案，以解決高速數據傳輸所帶來的一系列新問題。其中，最主要的問題集中在軟件、屏幕技術、數據處理帶寬以及電池壽命等方面。在第二代(2G)只有話音和低速數據功能的手機中，問題還不是如此嚴峻，允許采用一些簡單和廉價的方案進行折衷。例如，典型的2G手機中用于發送信號的功率放大器(PA)是由電池直接驅動的，雖然簡單但效率不是最優的。在3G手機中，高速數據傳送要求更高的帶寬和發送功率，因此，為保持足夠長的電池工作時間，就必須采用更高效率的方案。現在，有一種方案正在逐漸受到蜂窩電話制造商們廣泛的喜愛，那就是采用一種高度專門化設計的降壓型DC-DC開關調節器來驅動PA。

開關型調節器改善發送效率的基本原理是，通過動態調節功放的供電電壓，使其剛好能夠滿足功放中射頻信號的幅度要求(見圖1)。采用開關調節器高效率地實現這種調節，在峰值發送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節省電池功率。因為峰值功率只有在手機遠離基站和數據傳送時需要，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足夠寬的范圍內高效率地動態調節，就有可能采用固定增益的線性功放，省掉偏置控制(已廣泛應用于目前的2G電話)。當然，仍然可以利用偏置控制來進一步增加控制能力，許多蜂窩電話制造商正在積極跟蹤這種方案；然而，在W-CDMA技術領域占主導地位的一家公司堅持認為不需要偏置控制。


圖1. 開關調節器(MAX1820)動態調節W-CDMA功率放大器(PA)的電源。通過對功放電源的高效調節，極大地降低了能量的消耗，延長了手機電池的使用時間。

另外一個需要重點考慮并關系到系統性能的問題是，對于這種特殊用途的降壓型開關調節器，有一些什么樣的特殊性能要求。為了便于理解，首先應該研究一下功放的負載特性。圖2由一個主要的蜂窩電話制造商提供，表示一個雙極工藝的固定增益W-CDMA功率放大器的負載曲線。在峰值發送功率時，功放需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA到600mA的電流。在最低發送功率時，也就是當靠近基站并且只發送話音時，功放僅吸取30mA的電流，電源電壓為0.4V到1V。對應的功放消耗功率分別為2040mW (最大值)和12mW (最小值)。


圖2. 固定增益的雙極型W-CDMA功率放大器的典型負載曲線中有一個明顯的阻性成分。電源電壓和電流會從最低的0.4V/30mA (12mW)變化到最高的3.4V/600mA (2040mW)，話音的發送一般在1.5V/150mA (225mW)下進行，高速數據的發送一般在2.5V/400mA (1000mW)下進行。

針對作為負載的這種功放對開關調節器進行優化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窩電話降壓型調節器能夠滿足這種要求。下面列出使MAX1820區別于其它類型的開關調節器的特殊性能：

在很寬的負載范圍內具有高效率—沒有高效率，采用開關型調節器就失去了意義，因此，高效率和省電是MAX1820的主導設計思想(見圖3)。傳送數據時(約500mW至2040mW)，MAX1820內部的低導通電阻(0.15Ω) PFET功率開關可以提供高達93%的效率。傳送話音時(約12mW至500mW)，MAX1820內部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作電流(強制PWM模式)使轉換效率達到85%。85%的效率聽起來不算太高，但對于一個工作在1MHz恒定開關頻率和很輕負載的轉換器來講確非易事，正如圖3所示，轉換器具有極低的功率損耗。這要歸功于優秀的設計和亞微米工藝的采用，這種工藝能夠在給定的FET導通電阻下獲得更低的柵極電容。

輸出電壓的動態調整—輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調整。為此，采用一個數模轉換器(DAC)驅動MAX1820的模擬控制引腳(REF)。由于DAC的輸出電壓范圍達不到3.4V，轉換器從REF到OUT具有1.76倍的電壓增益。

快速(30μsec)輸出壓擺率和建立—在W-CDMA系統架構中，發送功率需要根據基站的要求，每666μsec向上或向下調節1dB。此外，每隔10ms，手機會進入或退出數據傳送模式，相應地將發生大幅度的發送功率跳變。各種情況下，發送功率水平的變化需要在50μsec內完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統延遲，留給開關調節器來改變功放電源的時間還要減少。由于這個原因，MAX1820被專門設計為能夠在30μsec內改變并建立輸出電壓，甚至對于滿幅度的電壓和電流變化都沒有問題。由于要求輸出能夠快速改變，MAX1820的輸出電容被限制在僅僅4.7μF，這給工作的穩定性帶來了挑戰。4.7μF電容所帶來的額外好處是，允許采用低ESR的陶瓷電容，這將使輸出紋波降低至5mVpp。降壓調節器面臨的另外一個問題出現在需要迅速降低發送功率的時候，例如退出數據模式時。在此情況下，MAX1820能夠反轉電感中的電流，將輸出電壓迅速拉低以便保證30μsec的建立時間。否則，功放的線性會隨著電源電壓的緩慢下降而改變。另外，這種技術還將輸出電容中的剩余電能回送到MAX1820輸入端的電池，進一步節省了電能。

穩定工作于9.5%至100% PWM占空比和低壓差—假設手機由單節鋰離子電池供電，那么輸入開關調節器的電壓范圍大約為4.2V至2.7V。為了獲得可預知的噪聲頻譜和低輸出紋波，應該盡量采用恒定的開關頻率，MAX1820的強制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，可穩定工作于最低至9.5%的占空比。就其本身來講這并不困難，但還應考慮到相反的極端情況，當經過一定程度放電的電池工作在大功率數據發送模式時，要求占空比能夠完全達到100%，并具有低壓差。為了獲得非常低的壓差，MAX1820內部的PFET被稍稍超額設計為非常低的0.15Ω導通電阻。假設電感具有0.1Ω的串聯電阻，那么在600mA的負載下總的壓降只有150mV，當負載減輕時還可同比降低。根據蜂窩電話制造商的要求，當電池被放電至3.4V以下時，數據傳送距離有一定程度的降低是可以接受的。突破這種局限需要采用價格稍貴、效率稍低一點的升/降壓型調節器，這可能需用另外一整個篇幅進行討論。

1MHz開關頻率及同步—MAX1820內部具有一個1MHz振蕩器來控制PWM開關頻率。在MAX1820的產品定義階段，提高開關頻率是減小外部元件尺寸的一個辦法，但效率有可能降低到無法接受的水平。前面已經提到，采用固定頻率PWM方式可以獲得已知的噪聲頻譜和較低的輸出紋波。MAX1820的1MHz內部時鐘具有較高的精度，可保證±20%的容差，此外，為了更精確地同步至系統時鐘，MAX1820還包含一個13分頻時鐘合成器，可饋入一個10MHz至16MHz的低幅度正弦波。


圖3. MAX1820降壓型開關調節器經過優化，在電池消耗最大的情況下發送數據時具有最高的效率。1MHz固定的開關頻率降低了輸出紋波和噪聲，同時在發送話音時能夠保持相對較高的效率和較低的功耗。

MAX1820因其獨特的性能，目前被廣泛應用于3G手機設計中。隨著開關型降壓調節器在W-CDMA功放驅動中節電效果得到驗證，這種方案同樣也可用于其它的3G標準和更多不同的終端設備，使小型化、個性化的數據手機及無線移動運算的理想成為現實。