基于開關調節器技術以提高發3G手機發送效率

當今已是第三代移動通信(3G)時代，手機設計人員正忙于開發新的方案，以解決具有wcb瀏覽、無線收發電子郵件、拍照以及流送視頻等多種功能高速數據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尺寸不斷減少的外殼中，并同時提供更長的工作時間。尤其是必需傳輸更高的功率和更優的線性度及更好的效率。最重要的是，手機必須有更長的通話時間，因為用戶需要耗費更多時間使用他們的手機。也就是說日益增加的特性是應在低輸出電壓上對可變功率作驅動而實現。但影響電池工作時間的一個重要因素是電源效率及系統電源管理。以往，手機中用于發送信號的功率放大器(PA)由電池直接驅動，雖簡單但效率不佳。而當今最關鍵的是高速數據傳送要求具有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，目前已有新的驅動力來重新思考更多地采用開關調節器類型的選擇。由此采用基于獨特的開關調節器技術，將是一種有效方案。

然而需要特別指出的是，在過去幾年中手機用電池技術雖有不斷改進，但是仍然落后于功能擴展的需求。為此，設計人員必須用減少手機功耗來滿足高功率輸出和更長通話時間的需求，即靠手機中的半導體設備來實現。由于功率放大器(PA)是當前龐大需求的一個組件，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，是一種很有效的設計方案。

基于上述二種理念，有多種設計方案可先后應用。本文將從技術發展的迸程，僅以下列二種新技術方案為例作研討。

⑴ 采用一種高度專門化設計的降壓型DC-DC開關調節器來驅動功率放大器。這是當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。當然，通過增加外部的DC/DC轉換器和偏置電壓控制可以優化單鏈路功放在低功率輸出時的效率，以達到增長通話時間。但是一個DC/DC開關調節器技術也必將帶來增加手機的尺寸及成本，將使手機設計變復雜，因為手機必須在不同的模擬控制狀態下進行校準。于是就有了第二個設計方案開發與應用。

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調當前功耗的問題，并提供了更有效的手機設計方法。該芯片集成允許手機設計人員不使用單獨的DC/DC轉換器和旁路電容，來優化功率管理和獲取更長的通話時間。該控制功放功耗的一種方案是在較寬的輸出功率范圍內提高效率，就是基于優化低功率輸出的需求。因為手機大部分時間工作在低功率水平，大約在-4dBm的功率級。假設在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(低于0dBm)，功放主要消耗的是靜態電流。在-ldBm輸出功率時，功放的靜態電流通常約為50mA。通過在低功率級減少靜態電流提高功放效率，設計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，因為用于手機的典型雙狀態的單鏈路PA只能在最大額定功率下進行優化，這使得手機在低功率水平下工作時的效率很低。

2 基于開關調節器技術以提高發3G手機發送效率的設計方案

從最先進3G手機基本架構所知，其日益增加的特性對可變功率驅動提出新要求。如對圖像處理的應用處理器，在視頻捕捉期間需要高達360mW的功率，會很快耗盡電池的能量。于是電源效率及系統電源管理就成為影響電池一個重要因素。由于電源轉換過程中會發熱，就是獨特的開關調節器技術引入的必然。如今已有新的驅動力并具有較高工作效率的開關調節器可選擇。值此以擴展頻譜技術的低噪聲開關調節器與低壓差、脈寬調制DC-DC降壓開關調節器為例，對提高手機發送效率的設計方案作分析。

2.1 采用擴展頻譜技術的低噪聲開關調節器

在最先進的3G手機中，所有部件都如此密集以至于不存在這種嚴重噪聲干擾可能性。況且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不現實。采用開關調節器的其中一個代價是有可能產生諧波噪聲。但已成功使用的一項技術是使DC/DC轉換器的系統時鐘偽隨機抖動，這種力法及其所實現的擴展頻譜運作使開關頻率受一個偽隨機數(PRN)序列調制，以減少窄帶諧波。這其實是將噪聲“分散”到整個頻率范圍上，而不是集中在分別的諧波上。由于擴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現，但工藝的改進已允許將擴頻技術包含到“更新的”DC/DC轉換器中，從而可節省極大的空間。以LTC3251開關調節器為例作說明。

在芯片上實現擴頻工作的一款IC LTC3251是輸出電流達500mA的高效、低噪聲及無電感器型降壓DC/DC轉換器。LTC325l的擴頻振蕩器被設計成可產生頻率1MHz與 1.6MHz之間而周期為隨機變化的時鐘脈沖，這擁有將開關噪聲分散到整個頻率范圍上的好處。圖1為LTC3251引腳功能與應用示意圖。

基于開關調節器技術以提高發3G手機發送效率

該開關調節器可避開線性穩壓器的效率缺點，通過低阻抗開關及—個磁性存儲組件，可提供高達96%的轉換效率，故可極大地減少轉換過程中的功率損失。通過在較高的開關頻率(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。該開關調節器對最新3G手機而言是很有效的系統電源管理，例如用于圖像處理的應用處理器上。

2.2 用低壓差、脈寬調制(PWM)DC-DC降壓轉換器提高發送效率的方案

⑴ 低壓差、脈寬調制(PWM)DC-DC降壓轉換器MAX1821可為WCDMA手機功率放大器(PA)供電設計，當然，它也可以用于其它需要優先考慮高效率的應用。供電電壓范圍2.6V～5.5V，保證輸出電流達600mA，1MHz PWM開關頻率允許采用小尺寸外部元件，跳頻模式使輕載靜態電流降低至180?A。MAX1821可以動態控制，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，該電路的設計能夠保證在<30?s內建立輸出電壓。MAX1821通過外部電阻設置輸出電壓，提供1.25V～5.5V固定輸出電壓范圍。

MAX1821具有一個低導通電阻的內部MOSFET開關和同步整流器，大大提高了轉換效率、減少了外部元件數;100%占空比在600mA負載下(包括外部電感電阻在內)允許壓差僅有150mV。圖2(a)所示為基于開關調節器技術以提高發送效率的設計框圖。

基于開關調節器技術以提高發3G手機發送效率

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

對于廣域蜂窩站，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，在發送端天線前饋連高功率放大器(HPA)。從圖2(a)中可看出，實際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降壓型開關調節器，也組成了1MHZ脈寬調制降壓轉換器，其PWM開關頻率為1MHZ。

⑵開關調節器為WCDMA功放優化配置，有利于提高發送效率的運行

實際上，重點是從系統性能的角度對特殊用途的MAX1820開關調節器有些什么樣的特殊性能作分析，從而優化配置的運行也顯而易見了。

從圖2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821這樣的高效率開關調節器能動態地調整WCDMA功率放大器的供電電壓，并使其跟隨功放的發送功率而變化，又剛好能滿足射頻信號的幅度要求。既可以提高電源的利用率，又減少了功率浪費。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，見圖3所示。
新型HELP技術與開關調節器在3G手機中的應用

基于開關調節器技術以提高發3G手機發送效率