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。