DC-DC電源驅(qū)動PA提高WCDMA手機發(fā)送效率

摘要：MAX1820開關(guān)模式電源經(jīng)過優(yōu)化，能夠提高W-CDMA手機的發(fā)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(fā)送功率以下各個功率對應(yīng)的電池電流。針對該應(yīng)用，對MAX1820的設(shè)計進行了單獨的優(yōu)化。

隨著第三代移動通信(3G)時代的臨近，手機設(shè)計師們正忙于開發(fā)新的方案，以解決高速數(shù)據(jù)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(shù)、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)送信號的功率放大器(PA)是由電池直接驅(qū)動的，雖然簡單但效率不是最優(yōu)的。在3G手機中，高速數(shù)據(jù)傳送要求更高的帶寬和發(fā)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?，F(xiàn)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(shè)計的降壓型DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器來驅(qū)動PA。

開關(guān)型調(diào)節(jié)器改善發(fā)送效率的基本原理是，通過動態(tài)調(diào)節(jié)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(guān)調(diào)節(jié)器高效率地實現(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。因為峰值功率只有在手機遠離基站和數(shù)據(jù)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?qū)挼姆秶鷥?nèi)高效率地動態(tài)調(diào)節(jié)，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(yīng)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(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的一家公司堅持認為不需要偏置控制。


圖1. 開關(guān)調(diào)節(jié)器(MAX1820)動態(tài)調(diào)節(jié)W-CDMA功率放大器(PA)的電源。通過對功放電源的高效調(diào)節(jié)，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(guān)系到系統(tǒng)性能的問題是，對于這種特殊用途的降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，有一些什么樣的特殊性能要求。為了便于理解，首先應(yīng)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(fā)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(fā)送功率時，也就是當靠近基站并且只發(fā)送話音時，功放僅吸取30mA的電流，電源電壓為0.4V到1V。對應(yīng)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(fā)送一般在1.5V/150mA (225mW)下進行，高速數(shù)據(jù)的發(fā)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(guān)調(diào)節(jié)器進行優(yōu)化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窩電話降壓型調(diào)節(jié)器能夠滿足這種要求。下面列出使MAX1820區(qū)別于其它類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器的特殊性能：

在很寬的負載范圍內(nèi)具有高效率—沒有高效率，采用開關(guān)型調(diào)節(jié)器就失去了意義，因此，高效率和省電是MAX1820的主導(dǎo)設(shè)計思想(見圖3)。傳送數(shù)據(jù)時(約500mW至2040mW)，MAX1820內(nèi)部的低導(dǎo)通電阻(0.15Ω) PFET功率開關(guān)可以提供高達93%的效率。傳送話音時(約12mW至500mW)，MAX1820內(nèi)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(zhuǎn)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(guān)頻率和很輕負載的轉(zhuǎn)換器來講確非易事，正如圖3所示，轉(zhuǎn)換器具有極低的功率損耗。這要歸功于優(yōu)秀的設(shè)計和亞微米工藝的采用，這種工藝能夠在給定的FET導(dǎo)通電阻下獲得更低的柵極電容。

輸出電壓的動態(tài)調(diào)整—輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調(diào)整。為此，采用一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)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(zhuǎn)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(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)送功率需要根據(jù)基站的要求，每666μsec向上或向下調(diào)節(jié)1dB。此外，每隔10ms，手機會進入或退出數(shù)據(jù)傳送模式，相應(yīng)地將發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變。各種情況下，發(fā)送功率水平的變化需要在50μsec內(nèi)完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統(tǒng)延遲，留給開關(guān)調(diào)節(jié)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(shè)計為能夠在30μsec內(nèi)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(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。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(diào)節(jié)器面臨的另外一個問題出現(xiàn)在需要迅速降低發(fā)送功率的時候，例如退出數(shù)據(jù)模式時。在此情況下，MAX1820能夠反轉(zhuǎn)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(shù)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(jié)省了電能。

穩(wěn)定工作于9.5%至100% PWM占空比和低壓差—假設(shè)手機由單節(jié)鋰離子電池供電，那么輸入開關(guān)調(diào)節(jié)器的電壓范圍大約為4.2V至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，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(wěn)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(yīng)考慮到相反的極端情況，當經(jīng)過一定程度放電的電池工作在大功率數(shù)據(jù)發(fā)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(nèi)部的PFET被稍稍超額設(shè)計為非常低的0.15Ω導(dǎo)通電阻。假設(shè)電感具有0.1Ω的串聯(lián)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(jù)蜂窩電話制造商的要求，當電池被放電至3.4V以下時，數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)器，這可能需用另外一整個篇幅進行討論。

1MHz開關(guān)頻率及同步—MAX1820內(nèi)部具有一個1MHz振蕩器來控制PWM開關(guān)頻率。在MAX1820的產(chǎn)品定義階段，提高開關(guān)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(jīng)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(nèi)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(tǒng)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(guān)調(diào)節(jié)器經(jīng)過優(yōu)化，在電池消耗最大的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)時具有最高的效率。1MHz固定的開關(guān)頻率降低了輸出紋波和噪聲，同時在發(fā)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(yīng)用于3G手機設(shè)計中。隨著開關(guān)型降壓調(diào)節(jié)器在W-CDMA功放驅(qū)動中節(jié)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(shè)備，使小型化、個性化的數(shù)據(jù)手機及無線移動運算的理想成為現(xiàn)實。