DC-DC電源驅動(dòng)PA提高WCDMA手機發(fā)送效率

　　另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮并關(guān)系到系統性能的問(wèn)題是，對于這種特殊用途的降壓型開(kāi)關(guān)調節器，有一些什么樣的特殊性能要求。為了便于理解，首先應該研究一下功放的負載特性。圖2由一個(gè)主要的蜂窩電話(huà)制造商提供，表示一個(gè)雙極工藝的固定增益W-CDMA功率放大器的負載曲線(xiàn)。在峰值發(fā)送功率時(shí)，功放需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA到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，電源電壓為0.4V到1V。對應的功放消耗功率分別為2040mW (最大值)和12mW (最小值)。

　　圖2. 固定增益的雙極型W-CDMA功率放大器的典型負載曲線(xiàn)中有一個(gè)明顯的阻性成分。電源電壓和電流會(huì )從最低的0.4V/30mA (12mW)變化到最高的3.4V/600mA (2040mW)，話(huà)音的發(fā)送一般在1.5V/150mA (225mW)下進(jìn)行，高速數據的發(fā)送一般在2.5V/400mA (1000mW)下進(jìn)行。

　　針對作為負載的這種功放對開(kāi)關(guān)調節器進(jìn)行優(yōu)化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窩電話(huà)降壓型調節器能夠滿(mǎn)足這種要求。下面列出使MAX1820區別于其它類(lèi)型的開(kāi)關(guān)調節器的特殊性能：

　　在很寬的負載范圍內具有高效率―沒(méi)有高效率，采用開(kāi)關(guān)型調節器就失去了意義，因此，高效率和省電是MAX1820的主導設計思想(見(jiàn)圖3)。傳送數據時(shí)(約500mW至2040mW)，MAX1820內部的低導通電阻(0.15Ω) PFET功率開(kāi)關(guān)可以提供高達93%的效率。傳送話(huà)音時(shí)(約12mW至500mW)，MAX1820內部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作電流(強制PWM模式)使轉換效率達到85%。85%的效率聽(tīng)起來(lái)不算太高，但對于一個(gè)工作在1MHz恒定開(kāi)關(guān)頻率和很輕負載的轉換器來(lái)講確非易事，正如圖3所示，轉換器具有極低的功率損耗。這要歸功于優(yōu)秀的設計和亞微米工藝的采用，這種工藝能夠在給定的FET導通電阻下獲得更低的柵極電容。

　　輸出電壓的動(dòng)態(tài)調整―輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調整。為此，采用一個(gè)數模轉換器(DAC)驅動(dòng)MAX1820的模擬控制引腳(REF)。由于DAC的輸出電壓范圍達不到3.4V，轉換器從REF到OUT具有1.76倍的電壓增益。

　　快速(30?sec)輸出壓擺率和建立―在W-CDMA系統架構中，發(fā)送功率需要根據基站的要求，每666?sec向上或向下調節1dB。此外，每隔10ms，手機會(huì )進(jìn)入或退出數據傳送模式，相應地將發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變。各種情況下，發(fā)送功率水平的變化需要在50?sec內完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統延遲，留給開(kāi)關(guān)調節器來(lái)改變功放電源的時(shí)間還要減少。由于這個(gè)原因，MAX1820被專(zhuān)門(mén)設計為能夠在30?sec內改變并建立輸出電壓，甚至對于滿(mǎn)幅度的電壓和電流變化都沒(méi)有問(wèn)題。由于要求輸出能夠快速改變，MAX1820的輸出電容被限制在僅僅4.7?F，這給工作的穩定性帶來(lái)了挑戰。4.7?F電容所帶來(lái)的額外好處是，允許采用低ESR的陶瓷電容，這將使輸出紋波降低至5mVpp。降壓調節器面臨的另外一個(gè)問(wèn)題出現在需要迅速降低發(fā)送功率的時(shí)候，例如退出數據模式時(shí)。在此情況下，MAX1820能夠反轉電感中的電流，將輸出電壓迅速拉低以便保證30?sec的建立時(shí)間。否則，功放的線(xiàn)性會(huì )隨著(zhù)電源電壓的緩慢下降而改變。另外，這種技術(shù)還將輸出電容中的剩余電能回送到MAX1820輸入端的電池，進(jìn)一步節省了電能。

　　穩定工作于9.5%至100% PWM占空比和低壓差―假設手機由單節鋰離子電池供電，那么輸入開(kāi)關(guān)調節器的電壓范圍大約為4.2V至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，MAX1820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。就其本身來(lái)講這并不困難，但還應考慮到相反的極端情況，當經(jīng)過(guò)一定程度放電的電池工作在大功率數據發(fā)送模式時(shí)，要求占空比能夠完全達到100%，并具有低壓差。為了獲得非常低的壓差，MAX1820內部的PFET被稍稍超額設計為非常低的0.15Ω導通電阻。假設電感具有0.1Ω的串聯(lián)電阻，那么在600mA的負載下總的壓降只有150mV，當負載減輕時(shí)還可同比降低。根據蜂窩電話(huà)制造商的要求，當電池被放電至3.4V以下時(shí)，數據傳送距離有一定程度的降低是可以接受的。突破這種局限需要采用價(jià)格稍貴、效率稍低一點(diǎn)的升/降壓型調節器，這可能需用另外一整個(gè)篇幅進(jìn)行討論。