2G至3.5G蜂窩移動(dòng)設備的高效RF功率管理

表2: 在WCDMA信號調制下使用 FAN5904時(shí)，通話(huà)時(shí)間和數據使用時(shí)間方面的改善

表2顯示了圖2和圖3的結果，以及功率放大器只工作于高功率模式下相應的分鐘數。在HSUPA、CDMA200 1x EV-DO和 TD-SCDMA等不同信號調制模式下，電流消耗和通話(huà)時(shí)間都有類(lèi)似的改善。這里把高功率模式工作的通話(huà)/數據使用時(shí)間一起顯示的原因是：新技術(shù)不僅得到了更多的分鐘數，從設計角度來(lái)看，亦簡(jiǎn)化了校準工作。當功率放大器具有多種功率模式時(shí)，固件必需適應何時(shí)從一個(gè)等級切換到下一個(gè)等級，因為在整個(gè)輸出功率范圍內，每個(gè)功率放大器的每種功率模式都存在獨特的VPA-POUT 曲線(xiàn)。由于現在大多數手機都支持至少三個(gè)頻段，這意味著(zhù)滿(mǎn)足要求的系統中可能有三種3G功率放大器，所以增加了復雜程度。在處于一種功率模式的功率放大器中使用FAN5904，可以消除模式切換帶來(lái)的復雜性，更快地進(jìn)行功率放大器校準，因為需要的校準點(diǎn)較少。這樣就縮短了測試/校準的時(shí)間，并且降低了制造成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。

圖 4. POUT = 28dBm時(shí)3G功率放大器的熱成像

一個(gè)時(shí)常被忽視,但經(jīng)常遭到抱怨的參數是耗熱問(wèn)題。在手持電話(huà)貼近頭部進(jìn)行通話(huà)，使用手機網(wǎng)上沖浪或者玩在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )游戲時(shí)手機發(fā)熱，大多數用戶(hù)會(huì )因此而感到煩惱。問(wèn)題的關(guān)鍵在于,設計人員在設計手機時(shí)必需將這一因素考慮在內。圖4所示為某3G功率放大器的熱成像，其中，(a)為使用FAN5904來(lái)供電;(b)為直接與電池連接;(c)為電池以4.2V電壓充電。使用FAN5904時(shí)，在滿(mǎn)輸出功率情況下，功率放大器的溫度幾乎不可能達到50?C，在(b)和(c)的情況下，溫度很容易達到50?C和65?C，使用一段時(shí)間后，手機會(huì )很快發(fā)熱。在數據卡應用中，尤其是3G USB調制解調器卡開(kāi)始流行，熱耗散，或者說(shuō)實(shí)現熱耗散最小化變得十分重要。USB卡不能像手機那樣有效地散熱，因為它的體積非常小。由于3G調制解調器主要用于數據，功率放大器在大部分時(shí)間運行于“發(fā)熱”狀態(tài)。減少這種熱量的最有效方式是使用諸如FAN5904的降壓轉換器。

FAN5904的一個(gè)關(guān)鍵特性是,支持3G功率放大器的6MHz開(kāi)關(guān)頻率和支持GSM/EDGE功率放大器模塊的3MHz開(kāi)關(guān)頻率，可以使用小體積的電感和電容。FAN5904使用1008規格(2.5mm x 2.0mm)的0.47?H電感，分別使用10?F 0603和2.2?F 0603電容作為輸入和輸出電容，實(shí)現占位面積很小的PCB解決方案，并且沒(méi)有影響降壓轉換器的效率。

另一個(gè)常常被遺忘的參數是瞬態(tài)響應時(shí)間。當需要在不同電壓之間進(jìn)行跳變，以便為功率放大器提供合適的輸出功率時(shí)，對各種無(wú)線(xiàn)協(xié)議而言，瞬態(tài)響應時(shí)間變得尤為重要。FAN5904以6MHz的頻率進(jìn)行切換時(shí)，具有非常短的10?s響應時(shí)間 (如圖5所示)，完全滿(mǎn)足時(shí)隙間隔為25?s的WCDMA規范和IOPC 6.4.2規范要求。

圖 5. FAN5904在WCDMA模式中電壓跳變的上升和下降時(shí)間

在輸出功率需要從低水平變到高水平，或者從啟動(dòng)開(kāi)始，瞬態(tài)響應時(shí)間為10?s。對于降壓穩壓器而言，關(guān)鍵是使功率放大器滿(mǎn)足這些規范要求，避免出現通話(huà)中斷或者通話(huà)語(yǔ)音質(zhì)量不良的情況。由于用戶(hù)在不同的區域移動(dòng)，信號覆蓋情況或好或壞，雖然如此，通話(huà)中斷現象是用戶(hù)所不能容忍的。對于GSM/EDGE模式，FAN5904能夠在5?s內完成電壓之間的跳變，滿(mǎn)足GSM規范。圖6所示為用于WCDMA和GSM/EDGE發(fā)送器的FAN5904時(shí)序圖。

圖 6. 用于WCDMA (a) 和GSM/EDGE (b) 發(fā)送器的FAN5904時(shí)序圖

在使用降壓轉換器時(shí)，我們關(guān)心的是開(kāi)關(guān)頻率如何影響RF性能，RF工程師極不愿意添加一個(gè)會(huì )對RF信號保真度(發(fā)送和接收兩個(gè)方面)造成潛在影響的器件。如前所述，FAN5904采用PWM或 PFM模式工作，分析顯示，兩者均不會(huì )對RF性能造成影響。圖7(a)所示為28.5dBm信號的發(fā)送CW(關(guān)閉調制以顯示接近中心的尖刺)，以及距右側 6MHz的標記1。FAN5904產(chǎn)生的假性音調(spurious tones)水平很低，使得尖刺低于噪聲本底。圖7(b)所示為開(kāi)啟調制時(shí)的尖刺水平。這種尖刺很小，遠遠低于Tx遮蔽水平。FAN5904具有6MHz 開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)優(yōu)勢在于該頻率遠離信號頻率，并且位于5MHz的帶寬之外，轉換成位于WCDMA信號兩側的2.5MHz頻率。

圖 7. 在(a) CW調制和(b) WCDMA調制下，FAN5904在PWM模式下以6MHz的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)

或許在PFM模式下，我們更加關(guān)注的是尖刺會(huì )在哪里進(jìn)入信號調制。通過(guò)進(jìn)一步查看圖8(a)，在CW模式中，尖刺仍然在-40dBc以下，在8 (b)中，更重要的是該尖刺處于WCDMA調制遮蔽之下。

表3: 連接電源和FAN5904的3G功率放大器的EVM測量比較

表3列出了所測量的0dBm 和-45dBm (圖8中VPA 值接近VOUT_DCDC )輸出功率的EVM，比較使用電源和FAN5904為3G功率放大器供電的情況。兩列數值之間的差異很小，這清楚表明信號保真度的變化不大，不會(huì )影響RF 性能，遠在WCDMA極限數值之下。