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1 問(wèn)題呈現與面對 當今已是第三代移動(dòng)通信(3G)時(shí)代，手機設計人員正忙于開(kāi)發(fā)新的方案，以解決具有wcb瀏覽、無(wú)線(xiàn)收發(fā)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(lái)的一系列新問(wèn)題。其日益增加的壓力是將上述功能合并到一個(gè)尺寸不斷減少的外殼中，并同時(shí)提供更長(cháng)的工作時(shí)間。尤其是必需傳輸更高的功率和更優(yōu)的線(xiàn)性度及更好的效率。最重要的是，手機必須有更長(cháng)的通話(huà)時(shí)間，因為用戶(hù)需要耗費更多時(shí)間使用他們的手機。也就是說(shuō)日益增加的特性是應在低輸出電壓上對可變功率作驅動(dòng)而實(shí)現。但影響電池工作時(shí)間的一個(gè)重要因素是電源效率及系統電源管理。以往，手機中用于發(fā)送信號的功率放大器(PA)由電池直接驅動(dòng)，雖簡(jiǎn)單但效率不佳。而當今最關(guān)鍵的是高速數據傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。因此，為保持足夠長(cháng)的電池工作時(shí)間，目前已有新的驅動(dòng)力來(lái)重新思考更多地采用開(kāi)關(guān)調節器類(lèi)型的選擇。由此采用基于獨特的開(kāi)關(guān)調節器技術(shù)，將是一種有效方案。 然而需要特別指出的是，在過(guò)去幾年中手機用電池技術(shù)雖有不斷改進(jìn)，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(lái)滿(mǎn)足高功率輸出和更長(cháng)通話(huà)時(shí)間的需求，即靠手機中的半導體設備來(lái)實(shí)現。由于功率放大器(PA)是當前龐大需求的一個(gè)組件，因此立足于通過(guò)從功率控制來(lái)減少電流消耗，即高效率低功率（HELP）技術(shù)，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(shù)發(fā)展的迸程，僅以下列二種新技術(shù)方案為例作研討。 ⑴ 采用一種高度專(zhuān)門(mén)化設計的降壓型DC-DC開(kāi)關(guān)調節器來(lái)驅動(dòng)功率放大器。這是當今越來(lái)越廣泛受到蜂窩電話(huà)制造商們非常青睞的一種方案。當然，通過(guò)增加外部的DC/DC轉換器和偏置電壓控制可以?xún)?yōu)化單鏈路功放在低功率輸出時(shí)的效率，以達到增長(cháng)通話(huà)時(shí)間。但是一個(gè)DC/DC開(kāi)關(guān)調節器技術(shù)也必將帶來(lái)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(tài)下進(jìn)行校準。于是就有了第二個(gè)設計方案開(kāi)發(fā)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(wèn)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(lái)優(yōu)化功率管理和獲取更長(cháng)的通話(huà)時(shí)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(yōu)化低功率輸出的需求。因為手機大部分時(shí)間工作在低功率水平，大約在-4dBm的功率級。假設在PA和天線(xiàn)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(tài)電流。在-ldBm輸出功率時(shí)，功放的靜態(tài)電流通常約為50mA。通過(guò)在低功率級減少靜態(tài)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(tài)的單鏈路PA只能在最大額定功率下進(jìn)行優(yōu)化，這使得手機在低功率水平下工作時(shí)的效率很低。 2 基于開(kāi)關(guān)調節器技術(shù)以提高發(fā)3G手機發(fā)送效率的設計方案 從最先進(jìn)3G手機基本架構所知，其日益增加的特性對可變功率驅動(dòng)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(huì )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(gè)重要因素。由于電源轉換過(guò)程中會(huì )發(fā)熱，就是獨特的開(kāi)關(guān)調節器技術(shù)引入的必然。如今已有新的驅動(dòng)力并具有較高工作效率的開(kāi)關(guān)調節器可選擇。值此以擴展頻譜技術(shù)的低噪聲開(kāi)關(guān)調節器與低壓差、脈寬調制DC-DC降壓開(kāi)關(guān)調節器為例，對提高手機發(fā)送效率的設計方案作分析。 2.1 采用擴展頻譜技術(shù)的低噪聲開(kāi)關(guān)調節器 在最先進(jìn)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(shí)。采用開(kāi)關(guān)調節器的其中一個(gè)代價(jià)是有可能產(chǎn)生諧波噪聲。但已成功使用的一項技術(shù)是使DC/DC轉換器的系統時(shí)鐘偽隨機抖動(dòng)，這種力法及其所實(shí)現的擴展頻譜運作使開(kāi)關(guān)頻率受一個(gè)偽隨機數(PRN)序列調制，以減少窄帶諧波。這其實(shí)是將噪聲“分散”到整個(gè)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(guò)去已成功地用分立組件實(shí)現，但工藝的改進(jìn)已允許將擴頻技術(shù)包含到“更新的”DC/DC轉換器中，從而可節省極大的空間。以L(fǎng)TC3251開(kāi)關(guān)調節器為例作說(shuō)明。 在芯片上實(shí)現擴頻工作的一款I(lǐng)C LTC3251是輸出電流達500mA的高效、低噪聲及無(wú)電感器型降壓DC/DC轉換器。LTC325l的擴頻振蕩器被設計成可產(chǎn)生頻率1MHz與1.6MHz之間而周期為隨機變化的時(shí)鐘脈沖，這擁有將開(kāi)關(guān)噪聲分散到整個(gè)頻率范圍上的好處。圖1為L(cháng)TC3251引腳功能與應用示意圖。 圖1為L(cháng)TC3251是引腳功能與應用示意圖 該開(kāi)關(guān)調節器可避開(kāi)線(xiàn)性穩壓器的效率缺點(diǎn)，通過(guò)低阻抗開(kāi)關(guān)及—個(gè)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(guò)程中的功率損失。通過(guò)在較高的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(fā)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(yōu)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(kāi)關(guān)頻率允許采用小尺寸外部元件，跳頻模式使輕載靜態(tài)電流降低至180?A。MAX1821可以動(dòng)態(tài)控制，提供0.4V～3.4V的輸出電壓范圍。在電壓和電流的滿(mǎn)量程范圍內，該電路的設計能夠保證在MAX1821具有一個(gè)低導通電阻的內部MOSFET開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)調節器技術(shù)以提高發(fā)送效率的設計框圖。 圖2 (a) 基于開(kāi)關(guān)調節器技術(shù)以提高發(fā)送效率的設計框圖，（b）基站收發(fā)器系統(BTS)部件 基站收發(fā)器系統(BTS)部件包括天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、信號處理系統以及支持、控制硬件和軟件，見(jiàn)圖2（b）所示。 對于廣域蜂窩站，接收器—般通過(guò)雙上器模塊和塔頂部件連接到天線(xiàn)。塔頂部件由低噪聲放大器(LNA)組成，在發(fā)送端天線(xiàn)前饋連高功率放大器(HPA)。從圖2(a)中可看出，實(shí)際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降壓型開(kāi)關(guān)調節器，也組成了1MHZ脈寬調制降壓轉換器，其PWM開(kāi)關(guān)頻率為1MHZ。 ⑵開(kāi)關(guān)調節器為WCDMA功放優(yōu)化配置，有利于提高發(fā)送效率的運行 實(shí)際上，重點(diǎn)是從系統性能的角度對特殊用途的MAX1820開(kāi)關(guān)調節器有些什么樣的特殊性能作分析，從而優(yōu)化配置的運行也顯而易見(jiàn)了。 從圖2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821這樣的高效率開(kāi)關(guān)調節器能動(dòng)態(tài)地調整WCDMA功率放大器的供電電壓，并使其跟隨功放的發(fā)送功率而變化，又剛好能滿(mǎn)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(kāi)關(guān)調節器高效率地實(shí)現這種調節，在峰值發(fā)送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節省電池功率，見(jiàn)圖3所示。 圖3高效率開(kāi)關(guān)調節器大幅度地節省電池功率圖 因為峰值功率只有在手機遠離基站/或數據傳送時(shí)需要.。從總體來(lái)講，這種方案的省電效果是非常顯著(zhù)的。如果功放的供電電壓能夠在一個(gè)足夠寬的范圍內高效率地動(dòng)態(tài)調節，那么，就有可能采用固定增益的線(xiàn)性功放，省掉目前廣泛應用于3G時(shí)代前電話(huà)的偏置控制。 ⑶ 作為負載的功放及其特性 從雙極工藝的固定增益WCDMA功率放大器的負載曲線(xiàn)所知，在峰值發(fā)送功率時(shí)，功率需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA～600mA的電流。在最低發(fā)送功率時(shí)，也就是當靠近基站并且只發(fā)送話(huà)音時(shí)，功放僅吸取30mA的電流和0.4V～1V的電源電壓。對應的功放消耗功率分別為2040mW（最大值）和12mW（最小值）。針對具有此類(lèi)負載特性的功放，要對開(kāi)關(guān)調節器進(jìn)行優(yōu)化并非易事，而MAX1821 WCDMA蜂窩電話(huà)降壓型調節器能滿(mǎn)足這種要求。 除上述以外，MAX1821區別于其它類(lèi)型的開(kāi)關(guān)調節器的特殊性能如下： 其一是在很寬負載范圍內具有高效率。沒(méi)有高效率采用開(kāi)關(guān)調節器就失去意義，因此，高效率和省電是MAX1821的主導設計思想。其二是輸出電壓的快速轉變和建立（30μs）。 在WCDMA系統架構中，發(fā)送功率需要根據基站的要求，每666μs向上或向下調節1dB，以跟隨WCDMA功放的發(fā)射功率電平。此外，每隔10ms，手機會(huì )發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變。其三是穩定工作于9.5%～100%PWM占空比和低壓差。假設手機由單節鋰離子電池(4.2V-2.7v)供電，那么輸入開(kāi)關(guān)調節器的電壓范圍大約是4.2v～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(kāi)關(guān)頻率，MAX1821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(shí)，可穩定工作于最低至9.5%的占空比。 3 基于HELP技術(shù)可提高移動(dòng)通信終端省電方案 3.1 HELP技術(shù) HELP技術(shù)是將功率控制功能集成到功放模塊上，是半導體集成InGaP-Plus技術(shù)的實(shí)現。 其ANADIGICS的InGaP-Plus技術(shù)，通過(guò)使用多條增益鏈路來(lái)設計功率放大器，以解決功放的優(yōu)化問(wèn)題。該技術(shù)允許在同一晶體上分別優(yōu)化高性能的射頻開(kāi)關(guān)和功率放大器。使用這項技術(shù)提供了第一個(gè)3x3mm單頻（如AWT*1型）和3x5mm雙頻（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進(jìn)行獨立的優(yōu)化。采用ANADIGICS的HELP技術(shù)，不需要外部電壓調節器或DC/DC轉換器即可提供低功耗。而InGaP-P1us技術(shù)是集成虛同晶高電子遷移率場(chǎng)效應管(圖4左所示G S/D場(chǎng)效應管)和異質(zhì)結雙極晶體管(圖4右所示EBC雙極晶體管)在同一個(gè)晶片上，實(shí)現了兩路功放的多級優(yōu)化。兩路功放的多級優(yōu)化具體分析如下。 圖4 為HELP(高效率低功率)技術(shù)示意圖 將高性能的射頻開(kāi)關(guān)共存在相同的晶體上，該工藝可以用于設計多種增益鏈路的功放，并可以為每一增益鏈路進(jìn)行獨立的線(xiàn)性度和效率優(yōu)化。InGaP-Plus技術(shù)是將低功率高效率設計成一個(gè)雙狀態(tài)(高功率與低功率)功放，獲得功放的最優(yōu)性能。其InGaP-Plus技術(shù)的功放可在內部對高功率和低功率進(jìn)行優(yōu)化。 使用于InGaP-Plus技術(shù)己設計出低功率高效率3型(HELP3)功放，通過(guò)內部?jì)?yōu)化可延長(cháng)手機通話(huà)時(shí)間超過(guò)25%。當然，像單一鏈路功放一樣，也可搭配一個(gè)外部DC/DC轉換器節省更多電流。但是額外電流的節省是不值得的，相比會(huì )增加費用和電路板面積。 低功率高效率3型功放，己特別推出了三增益狀態(tài)，允許分別優(yōu)化三種不同的功率等級。例如，可優(yōu)化高功率增益(通常大約28dBm)，16dBm的*率增益以及在7dBm的低功率增益。此制程在低功率等級達到低于7mA的靜態(tài)電流，比單一鏈路功放中典型的50mA的靜態(tài)電流要小得多。 3.2 應用InGaP-Plus技術(shù)的的WCDMA功放模塊靜態(tài)電流和效率對比數據舉例 以AWT*1與AWT6221R兩種型號為代表，均是根據先進(jìn)的InGaP-Plus技術(shù)制造，具備質(zhì)量可靠、溫度穩定、耐用性佳等良好性能。 ⑴ AWT*1是雙重運作模式。在高功率及中/低功率輸出時(shí)，提供了最佳效能，關(guān)機模式與低漏電壓設計，增加手機的通話(huà)與待機時(shí)間。其自載的3mmx3mmx1mm表面封裝包含了配對網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的輸出功率、50Ω系統的效率和線(xiàn)性度。AWT*1為波段1，低功率(16dBm)的靜態(tài)電流(ICQ)及效率為7mA/24%，尺寸是3×3mm。 ⑵ AWT6221R產(chǎn)品是為手機業(yè)Cingular的北美WCDMA雙模蜂窩網(wǎng)絡(luò )手機的需求而布局。3mmx5mmx1mm，符合RoHS包裝的表面封裝機體，包含獨立的射頻功率放大路徑，確保雙波段的最佳性能。與2個(gè)單頻的功率放大器相比較，足足節省25%的印刷電路板面積。制造商選用封裝針腳，能夠輕易發(fā)送VCC到功率放大器和一般VMODE的簡(jiǎn)易控制針腳。AWT6221，為波段2+5，低功率(16dBm)的靜態(tài)電流(ICQ)及效率對波段2為7mA/18%，波段5為7mA/22%，尺寸是3×5mm。 4 結束語(yǔ) 上述是采用開(kāi)關(guān)型降壓調節器在功放與InGaP-Plus技術(shù)的HELP功放的應用方案，具有發(fā)送效率提高和節電效果。當然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(gè)性化的數據手機及無(wú)線(xiàn)移動(dòng)運算的理想成為現實(shí)。 如今低功率高效率技術(shù)功放與朝向低電壓邏輯的移動(dòng)手機制造商并駕齊驅。新型號的HELP3功放以1.8V邏輯電壓設計。這些功放將提供更長(cháng)的通話(huà)時(shí)間，并進(jìn)一步減少靜態(tài)電流少于4mA。 |
