2G至3.5G蜂窩移動(dòng)設備的高效RF功率管理

標簽：蜂窩移動(dòng) RF功率管理

大家是否注意到人們對移動(dòng)設備，尤其是對智能手機的著(zhù)迷程度到了何種地步?人們在用智能手機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )沖浪、查收和編寫(xiě)電子郵件、玩網(wǎng)絡(luò )游戲或者更新社交網(wǎng)絡(luò )等活動(dòng)。所有這些活動(dòng)，外加撥打語(yǔ)音電話(huà)，都要消耗電池的能量，從功率放大器(PA)到顯示器和內核芯片組，它們要消耗大量的能量。最終，鋰離子電池的體積也只能適當增加，以保證智能手機不至于過(guò)于笨重。

但是卻有幾種方式可以讓用戶(hù)感到滿(mǎn)意，避免經(jīng)常為智能手機充電，或者在不適當時(shí)間電池電能耗盡的現象出現。智能手機中功率放大器消耗的功率大約占總體30%，在網(wǎng)絡(luò )覆蓋情況較差的區域，這個(gè)比率會(huì )高達70%。一般要求智能手機和手機具有兼容前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的能力，現今大多數手機均具有所謂的HEDGE-enabled功能，這意味著(zhù)它們能夠支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。換言之，3.5G(HSUPA和HSDPA)手機支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技術(shù)。目前市場(chǎng)上還有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窩技術(shù)的其它手機，它們也消耗大量功率。

不論是3G還是2G，功率放大器都會(huì )消耗大量功率，所以需要一種有效的方法來(lái)獲得更長(cháng)的通話(huà)/工作時(shí)間。不論是在進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)，還是將數據從手機發(fā)送到基站，功率放大器均要消耗功率。在接收效果較差的區域，則需要更高的輸出功率水平，這就意味著(zhù)更高的功率消耗。對于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模塊(PAM)的EDGE部分而言，不僅需要特定水平的輸出功率，還要求具有足夠的線(xiàn)性度，以確保向基站發(fā)送信號的保真度。

對于功率放大器外圍的技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩種有效方法：DC-DC轉換器和包絡(luò )跟蹤。第一種方式是更為流行的解決方案，飛兆半導體公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降壓轉換器FAN5904就針對這種應用。該產(chǎn)品是為了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而專(zhuān)門(mén)設計，因為在手機中線(xiàn)路板空間十分珍貴，設計人員無(wú)需再使用兩個(gè)獨立的降壓轉換器。FAN5904支持從WCDMA到HSUPA+，以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G無(wú)線(xiàn)標準。此外，該器件還支持中國的3G標準TD-SCDMA，以及用于更高數據傳輸率的TD-SCDMA信號調制下的HSUPA。隨著(zhù)兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的“TEDGE”手機的出現，FAN5904將是一種理想的解決方案。

FAN5904與基帶處理器和功率放大器配合工作，以達到降低功耗的目的?；鶐酒M將會(huì )根據從基站接收到的信息來(lái)設定輸出功率水平，然后將其轉換成電源電壓，以便FAN5904可以為功率放大器供電。圖1的系統應用示意圖顯示了FAN5904與基帶芯片組、射頻收發(fā)器和功率放大器之間的接口情況。為了生成正確的、相應于輸出功率的電源電壓，要求基帶芯片組的固件能夠包含Tx AGC/POUT查找表(LUT)中的另一列內容。

圖1. FAN5904與基帶處理器、射頻收發(fā)器和3G功率放大器以及GSM/EDGE功率放大器模塊的系統應用示意圖

表1所示為針對某個(gè)HEDGE手機的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子。該表格針對Avago的3G功率放大器，分為高、中和低功率模式三個(gè)主要部分。其它功率放大器因結構不同而具有不同的設置。高、中和低功率模式分區下各列內容為該模式下的輸出功率及其相應的VCON電壓，這些電壓是基帶處理器生成的電壓，通知FAN5904為功率放大器提供正確的輸出電壓，獲得特定的輸出功率。GSM和EDGE則需要不同的查找表。

表1: 針對某個(gè)HEDGE手機的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子

基帶處理器能夠針對輸出功率水平，動(dòng)態(tài)調節功率放大器的電源電壓，從而降低功率放大器消耗的電流。這樣便得到兩種重要結果：一是降低了電源電壓和電流，使得散熱減少;二是延長(cháng)了智能手機的通話(huà)時(shí)間和數據使用時(shí)間。在高輸出功率或者大電流負載情況下，FAN5904會(huì )以6MHz的PWM模式工作，但在要求“中”或“低”輸出功率時(shí)，它會(huì )自動(dòng)轉換至脈沖頻率調制(PFM)模式。在PFM模式下，轉換器以更低的開(kāi)關(guān)頻率工作，以保持更高的效率。圖2和圖3針對WCDMA (語(yǔ)音和數據)信號調制的DG90功率分布函數，顯示使用與未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。對于語(yǔ)音通話(huà)，FAN5904在大部分時(shí)間工作于PFM模式，因為根據DG09曲線(xiàn)，PFM模式占用的時(shí)間少于輸出功率高于18dBm時(shí)間的10%。恰恰相反的是，為了保證接收器的信噪比，在數據傳送模式下則要求保證更高的“每bit能量”，所以在數據傳送模式下，輸出功率為16dBm或者以上的時(shí)間占據33%。

圖 2. WCDMA信號調制和1000mAh鋰離子電池條件下，使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通話(huà)時(shí)間分析

圖 3. WCDMA信號調制和1000mAh鋰離子電池條件下，使用和不使用 FAN5904的3G功率放大器的數據發(fā)送時(shí)間分析

圖2和圖3顯示了在不同輸出功率條件下一個(gè)3G PA分別在語(yǔ)音和數據傳輸模式下有、無(wú)FAN5904時(shí)所使用的工作時(shí)間的分析。在PA電源電壓設定在鄰近信道功率比(ACPR)為-39dBc時(shí)的值時(shí)， WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc，但是電流消耗將會(huì )增加，導致效率降低。