新型HELP技術(shù)與開(kāi)關(guān)調節器在3G手機中的應用

摘要：本文對新的HELP技術(shù)與開(kāi)關(guān)調節器在3G手機中的應用作分析，并以新型芯片應用為例作說(shuō)明。

　　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。

　?、?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。

　?、?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