新型HELP技术与开关调节器在3G手机中的应用

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摘要:本文对新的HELP技术与开关调节器在3G手机中的应用作分析,并以新型芯片应用为例作说明。

1 问题呈现与面对

当今已是第三代移动通信(3G) 时代,手机设计人员正忙于开发新的方案,以解决具有wcb浏览、无线收发电子邮件、拍照以及流送视频等多种功能高速数据传输所带来的一系列新问题。其日益增加的压力是将上述功能合并到一个尺寸不断减少的外壳中,并同时提供更长的工作时间。尤其是必需传输更高的功率和更优的线性度及更好的效率。最重要的是,手机必须有更长的通话时间,因为用户需要耗费更多时间使用他们的手机。也就是说日益增加的特性是应在低输出电压上对可变功率作驱动而实现。但影响电池工作时间的一个重要因素是电源效率及系统电源管理。以往,手机中用于发送信号的功率放大器(PA)由电池直接驱动,虽简单但效率不佳。而当今最关键的是高速数据传送要求具有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,目前已有新的驱动力来重新思考更多地采用开关调节器类型的选择。由此采用基于独特的开关调节器技术,将是一种有效方案。

然而需要特别指出的是,在过去几年中手机用电池技术虽有不断改进,但是仍然落后于功能扩展的需求。为此,设计人员必须用减少手机功耗来满足高功率输出和更长通话时间的需求,即靠手机中的半导体设备来实现。由于功率放大器(PA)是当前庞大需求的一个组件,因此立足于通过从功率控制来减少电流消耗,即高效率低功率(HELP)技术,是一种很有效的设计方案。

基于上述二种理念,有多种设计方案可先后应用。本文将从技术发展的迸程,仅以下列二种新技术方案为例作研讨。

⑴ 采用一种高度专门化设计的降压型DC-DC开关调节器来驱动功率放大器。这是当今越来越广泛受到蜂窝电话制造商们非常青睐的一种方案。当然,通过增加外部的DC/DC转换器和偏置电压控制可以优化单链路功放在低功率输出时的效率,以达到增长通话时间。但是一个DC/DC开关调节器技术也必将带来增加手机的尺寸及成本,将使手机设计变复杂,因为手机必须在不同的模拟控制状态下进行校准。于是就有了第二个设计方案开发与应用。

⑵ 将众多的功率控制功能集成到功放模块上,其集成功率控制功能不仅仅强调当前功耗的问题,并提供了更有效的手机设计方法。该芯片集成允许手机设计人员不使用单独的DC/DC转换器和旁路电容,来优化功率管理和获取更长的通话时间。该控制功放功耗的一种方案是在较宽的输出功率范围内提高效率,就是基于优化低功率输出的需求。因为手机大部分时间工作在低功率水平,大约在-4dBm的功率级。假设在PA和天线之间的电路损失大约为3dB,那么PA的输出功率大约为-ldBm。在低功率级(低于0dBm),功放主要消耗的是静态电流。在-ldBm输出功率时,功放的静态电流通常约为50mA。通过在低功率级减少静态电流提高功放效率,设计人员可以大量减少功率损耗。然而直到最近,该方法还是有缺陷的,因为用于手机的典型双状态的单链路PA只能在最大额定功率下进行优化,这使得手机在低功率水平下工作时的效率很低。
2 基于开关调节器技术以提高发3G手机发送效率的设计方案

从最先进3G手机基本架构所知,其日益增加的特性对可变功率驱动提出新要求。如对图像处理的应用处理器,在视频捕捉期间需要高达360mW的功率,会很快耗尽电池的能量。于是电源效率及系统电源管理就成为影响电池一个重要因素。由于电源转换过程中会发热,就是独特的开关调节器技术引入的必然。如今已有新的驱动力并具有较高工作效率的开关调节器可选择。值此以扩展频谱技术的低噪声开关调节器与低压差、脉宽调制DC-DC降压开关调节器为例,对提高手机发送效率的设计方案作分析。

2.1 采用扩展频谱技术的低噪声开关调节器

在最先进的3G手机中,所有部件都如此密集以至于不存在这种严重噪声干扰可能性。况且由于成本及尺寸原因,采取屏蔽措施又不现实。采用开关调节器的其中一个代价是有可能产生谐波噪声。但已成功使用的一项技术是使DC/DC转换器的系统时钟伪随机抖动,这种力法及其所实现的扩展频谱运作使开关频率受一个伪随机数(PRN)序列调制,以减少窄带谐波。这其实是将噪声“分散”到整个频率范围上,而不是集中在分别的谐波上。由于扩频噪声的峰值限度要低许多,故可极大地降低干扰。尽管这种方法中过去已成功地用分立组件实现,但工艺的改进已允许将扩频技术包含到“更新的”DC/DC转换器中,从而可节省极大的空间。以LTC3251开关调节器为例作说明。

在芯片上实现扩频工作的一款IC LTC3251是输出电流达500mA的高效、低噪声及无电感器型降压DC/DC转换器。LTC325l的扩频振荡器被设计成可产生频率1MHz与 1.6MHz之间而周期为随机变化的时钟脉冲,这拥有将开关噪声分散到整个频率范围上的好处。图1为LTC3251引脚功能与应用示意图。

图1为LTC3251是引脚功能与应用示意图
该开关调节器可避开线性稳压器的效率缺点,通过低阻抗开关及—个磁性存储组件,可提供高达96%的转换效率,故可极大地减少转换过程中的功率损失。通过在较高的开关频率(譬如大于2MH2)工作,可极人地减少外部电感器及电容器的尺寸。该开关调节器对最新3G手机而言是很有效的系统电源管理,例如用于图像处理的应用处理器上。

2.2 用低压差、脉宽调制(PWM)DC-DC降压转换器提高发送效率的方案

⑴ 低压差、脉宽调制(PWM)DC-DC降压转换器MAX1821可为WCDMA手机功率放大器(PA) 供电设计,当然,它也可以用于其它需要优先考虑高效率的应用。供电电压范围2.6V~5.5V,保证输出电流达600mA,1MHz PWM开关频率允许采用小尺寸外部元件,跳频模式使轻载静态电流降低至180?A。MAX1821可以动态控制,提供0.4V~3.4V的输出电压范围。在电压和电流的满量程范围内,该电路的设计能够保证在<30?s内建立输出电压。MAX1821通过外部电阻设置输出电压,提供 1.25V~5.5V固定输出电压范围。

MAX1821具有一个低导通电阻的内部MOSFET开关和同步整流器,大大提高了转换效率、减少了外部元件数;100%占空比在600mA负载下(包括外部电感电阻在内)允许压差仅有150mV。图2(a)所示为基于开关调节器技术以提高发送效率的设计框图。



图2 (a) 基于开关调节器技术以提高发送效率的设计框图,(b)基站收发器系统(BTS)部件基站收发器系统(BTS)部件包括天线、无线电收发器、信号处理系统以及支持、控制硬件和软件,见图2(b)所示。

对于广域蜂窝站,接收器—般通过双上器模块和塔顶部件连接到天线。塔顶部件由低噪声放大器(LNA)组成,在发送端天线前馈连高功率放大器(HPA)。从图2(a)中可看出,实际上是在电池与WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降压型开关调节器,也组成了1MHZ脉宽调制降压转换器,其PWM开关频率为1MHZ。

⑵开关调节器为WCDMA功放优化配置,有利于提高发送效率的运行

实际上,重点是从系统性能的角度对特殊用途的MAX1820开关调节器有些什么样的特殊性能作分析,从而优化配置的运行也显而易见了。

从图2(a)可以清楚地看出,利用MAX1821这样的高效率开关调节器能动态地调整WCDMA功率放大器的供电电压,并使其跟随功放的发送功率而变化,又刚好能满足射频信号的幅度要求。既可以提高电源的利用率,又减少了功率浪费。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,见图3所示。



图3高效率开关调节器大幅度地节省电池功率图

因为峰值功率只有在手机远离基站/或数据传送时需要.。从总体来讲,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,那么,就有可能采用固定增益的线性功放,省掉目前广泛应用于3G时代前电话的偏置控制。
⑶ 作为负载的功放及其特性

从双极工艺的固定增益WCDMA功率放大器的负载曲线所知,在峰值发送功率时,功率需要3.4V的供电电压,并消耗掉300mA~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的电流和0.4V~1V的电源电压。对应的功放消耗功率分别为2040mW(最大值)和12mW(最小值)。针对具有此类负载特性的功放,要对开关调节器进行优化并非易事,而MAX1821 WCDMA蜂窝电话降压型调节器能满足这种要求。

除上述以外,MAX1821区别于其它类型的开关调节器的特殊性能如下:

其一是在很宽负载范围内具有高效率。没有高效率采用开关调节器就失去意义,因此,高效率和省电是MAX1821的主导设计思想。其二是输出电压的快速转变和建立(30μs)。

在WCDMA系统架构中,发送功率需要根据基站的要求,每666μs向上或向下调节1dB,以跟随WCDMA功放的发射功率电平。此外,每隔10ms,手机会发生大幅度的发送功率跳变。其三是稳定工作于9.5%~100%PWM占空比和低压差。假设手机由单节锂离子电池(4.2V- 2.7V)供电,那么输入开关调节器的电压范围大约是4.2v~2.7v,为了获得可预知的噪声频谱和低输出纹波,应该尽量采用恒定的开关频率,MAX1821的强制PWM工作模式在电池完全充电至4.2v且要求功放电源电压为0.4v时,可稳定工作于最低至9.5%的占空比。

3 基于HELP技术可提高移动通信终端省电方案

3.1 HELP技术

HELP技术是将功率控制功能集成到功放模块上,是半导体集成InGaP-Plus技术的实现。
其ANADIGICS的InGaP-Plus技术,通过使用多条增益链路来设计功率放大器,以解决功放的优化问题。该技术允许在同一晶体上分别优化高性能的射频开关和功率放大器。使用这项技术提供了第一个3x3mm单频(如AWT*1型)和3x5mm双频(如AWT6221型)WCDMA低功率高效率功率放大器。使得功放在不同功率水平可以进行独立的优化。采用ANADIGICS的HELP技术,不需要外部电压调节器或DC/DC转换器即可提供低功耗。而InGaP-P1us技术是集成虚同晶高电子迁移率场效应管(图4左所示G S/D场效应管)和异质结双极晶体管(图4右所示EBC双极晶体管)在同一个晶片上,实现了两路功放的多级优化。两路功放的多级优化具体分析如下。



图4 为HELP(高效率低功率)技术示意图

将高性能的射频开关共存在相同的晶体上,该工艺可以用于设计多种增益链路的功放,并可以为每一增益链路进行独立的线性度和效率优化。InGaP- Plus技术是将低功率高效率设计成一个双状态(高功率与低功率)功放,获得功放的最优性能。其InGaP-Plus技术的功放可在内部对高功率和低功率进行优化。

使用于InGaP-Plus技术己设计出低功率高效率3型(HELP3)功放,通过内部优化可延长手机通话时间超过25%。当然,像单一链路功放一样,也可搭配一个外部DC/DC转换器节省更多电流。但是额外电流的节省是不值得的,相比会增加费用和电路板面积。低功率高效率3型功放,己特别推出了三增益状态,允许分别优化三种不同的功率等级。例如,可优化高功率增益(通常大约28dBm),16dBm的* 率增益以及在7dBm的低功率增益。此制程在低功率等级达到低于7mA的静态电流,比单一链路功放中典型的50mA的静态电流要小得多。

3.2 应用InGaP-Plus技术的的WCDMA功放模块静态电流和效率对比数据举例

以AWT*1与AWT6221R两种型号为代表,均是根据先进的InGaP-Plus技术制造,具备质量可靠、温度稳定、耐用性佳等良好性能。

⑴ AWT*1是双重运作模式。在高功率及中/低功率输出时,提供了最佳效能,关机模式与低漏电压设计,增加手机的通话与待机时间。其自载的3mmx3mmx1mm表面封装包含了配对网络优化的输出功率、50Ω系统的效率和线性度。AWT*1为波段1,低功率(16dBm)的静态电流(ICQ)及效率为7mA/24%,尺寸是3×3mm。

⑵ AWT6221R产品是为手机业Cingular的北美WCDMA双模蜂窝网络手机的需求而布局。3mmx5mmx1mm,符合RoHS包装的表面封装机体,包含独立的射频功率放大路径,确保双波段的最佳性能。与2个单频的功率放大器相比较,足足节省25%的印刷电路板面积。制造商选用封装针脚,能够轻易发送VCC到功率放大器和一般VMODE的简易控制针脚。AWT6221,为波段 2+5,低功率(16dBm)的静态电流(ICQ)及效率对波段2为7mA/18%,波段5为7mA/22%,尺寸是3×5mm。
4 结束语

上述是采用开关型降压调节器在功放与InGaP-Plus技术的HELP功放的应用方案,具有发送效率提高和节电效果。当然这种方案同样也可用于其它的3G标准和更多不同的终端设备,使小型化、个性化的数据手机及无线移动运算的理想成为现实。

如今低功率高效率技术功放与朝向低电压逻辑的移动手机制造商并驾齐驱。新型号的HELP3功放以1.8V逻辑电压设计。这些功放将提供更长的通话时间,并进一步减少静态电流少于4mA。
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基于开关调节器技术以提高发3G手机发送效率

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