DC-DC电源驱动PA提高WCDMA手机发送效率

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MAX1820开关模式电源经过优化,能够提高W-CDMA手机的发送效率。通过极大地降低功率放大器(PA)的VCC,大大减小了最大发送功率以下各个功率对应的电池电流。针对该应用,对MAX1820的设计进行了单独的优化。

随着第三代移动通信(3G)时代的临近,手机设计师们正忙于开发新的方案,以解决高速数据传输所带来的一系列新问题。其中,最主要的问题集中在软件、屏幕技术、数据处理带宽以及电池寿命等方面。在第二代(2G)只有话音和低速数据功能的手机中,问题还不是如此严峻,允许采用一些简单和廉价的方案进行折衷。例如,典型的2G手机中用于发送信号的功率放大器(PA)是由电池直接驱动的,虽然简单但效率不是最优的。在3G手机中,高速数据传送要求更高的带宽和发送功率,因此,为保持足够长的电池工作时间,就必须采用更高效率的方案。现在,有一种方案正在逐渐受到蜂窝电话制造商们广泛的喜爱,那就是采用一种高度专门化设计的降压型DC-DC开关调节器来驱动PA。

开关型调节器改善发送效率的基本原理是,通过动态调节功放的供电电压,使其刚好能够满足功放中射频信号的幅度要求(见图1)。采用开关调节器高效率地实现这种调节,在峰值发送功率以外的任何工作条件下,都可大幅度地节省电池功率。因为峰值功率只有在手机远离基站和数据传送时需要,总体来讲,这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节,就有可能采用固定增益的线性功放,省掉偏置控制(已广泛应用于目前的2G电话)。当然,仍然可以利用偏置控制来进一步增加控制能力,许多蜂窝电话制造商正在积极跟踪这种方案;然而,在W-CDMA技术领域占主导地位的一家公司坚持认为不需要偏置控制。


图1. 开关调节器(MAX1820)动态调节W-CDMA功率放大器(PA)的电源。通过对功放电源的高效调节,极大地降低了能量的消耗,延长了手机电池的使用时间。

另外一个需要重点考虑并关系到系统性能的问题是,对于这种特殊用途的降压型开关调节器,有一些什么样的特殊性能要求。为了便于理解,首先应该研究一下功放的负载特性。图2由一个主要的蜂窝电话制造商提供,表示一个双极工艺的固定增益W-CDMA功率放大器的负载曲线。在峰值发送功率时,功放需要3.4V的供电电压,并消耗掉300mA到600mA的电流。在最低发送功率时,也就是当靠近基站并且只发送话音时,功放仅吸取30mA的电流,电源电压为0.4V到1V。对应的功放消耗功率分别为2040mW (最大值)和12mW (最小值)。


图2. 固定增益的双极型W-CDMA功率放大器的典型负载曲线中有一个明显的阻性成分。电源电压和电流会从最低的0.4V/30mA (12mW)变化到最高的3.4V/600mA (2040mW),话音的发送一般在1.5V/150mA (225mW)下进行,高速数据的发送一般在2.5V/400mA (1000mW)下进行。

针对作为负载的这种功放对开关调节器进行优化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窝电话降压型调节器能够满足这种要求。下面列出使MAX1820区别于其它类型的开关调节器的特殊性能:

在很宽的负载范围内具有高效率—没有高效率,采用开关型调节器就失去了意义,因此,高效率和省电是MAX1820的主导设计思想(见图3)。传送数据时(约500mW至2040mW),MAX1820内部的低导通电阻(0.15Ω) PFET功率开关可以提供高达93%的效率。传送话音时(约12mW至500mW),MAX1820内部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作电流(强制PWM模式)使转换效率达到85%。85%的效率听起来不算太高,但对于一个工作在1MHz恒定开关频率和很轻负载的转换器来讲确非易事,正如图3所示,转换器具有极低的功率损耗。这要归功于优秀的设计和亚微米工艺的采用,这种工艺能够在给定的FET导通电阻下获得更低的栅极电容。

输出电压的动态调整—输出电压需要在3.4V到0.4V间调整。为此,采用一个数模转换器(DAC)驱动MAX1820的模拟控制引脚(REF)。由于DAC的输出电压范围达不到3.4V,转换器从REF到OUT具有1.76倍的电压增益。

快速(30µsec)输出压摆率和建立—在W-CDMA系统架构中,发送功率需要根据基站的要求,每666µsec向上或向下调节1dB。此外,每隔10ms,手机会进入或退出数据传送模式,相应地将发生大幅度的发送功率跳变。各种情况下,发送功率水平的变化需要在50µsec内完成,然而,考虑到基站、DAC及各种系统延迟,留给开关调节器来改变功放电源的时间还要减少。由于这个原因,MAX1820被专门设计为能够在30µsec内改变并建立输出电压,甚至对于满幅度的电压和电流变化都没有问题。由于要求输出能够快速改变,MAX1820的输出电容被限制在仅仅4.7µF,这给工作的稳定性带来了挑战。4.7µF电容所带来的额外好处是,允许采用低ESR的陶瓷电容,这将使输出纹波降低至5mVpp。降压调节器面临的另外一个问题出现在需要迅速降低发送功率的时候,例如退出数据模式时。在此情况下,MAX1820能够反转电感中的电流,将输出电压迅速拉低以便保证30µsec的建立时间。否则,功放的线性会随着电源电压的缓慢下降而改变。另外,这种技术还将输出电容中的剩余电能回送到MAX1820输入端的电池,进一步节省了电能。
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