基于輸出功率概率分布優(yōu)化3G手機功率放大器設計

本文探討了一種全新的功率放大器設計概念：其功率放大器的驅動(dòng)電路在一般情況下都以中低等輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時(shí)才啟動(dòng)功耗較高的功率放大器電路。通過(guò)了解手機在實(shí)際使用情況下的輸出功率概率分布，能在有限的電池容量下有效地延長(cháng)通話(huà)時(shí)間，該技術(shù)不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且實(shí)現非常簡(jiǎn)單。

目前全球3G手機的普及率正呈現逐步上升趨勢，同時(shí)新推出的手機也整合了越來(lái)越多的功能。如今的手機已經(jīng)具備了多媒體功能：包括視頻攝像、百萬(wàn)像素攝像模塊、自動(dòng)對焦、相機閃光燈和用于照明的白色LED、MP3、MP4及JAVA游戲等。為了提高網(wǎng)絡(luò )的覆蓋率，有很多手機都采用雙模GSM/GPRS+CDMA、GSM/GPRS+WCDMA或整合嵌入式無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)聯(lián)機功能的設計。實(shí)現如此豐富、強大的功能，面臨的最大問(wèn)題就是手機電池的功耗和通話(huà)時(shí)間，如何節省電池功耗已經(jīng)成為手機設計者必須面對的最迫切問(wèn)題之一。

圖1：CDMA系統中手機輸出功率的使用概率分布。

為手機傳輸信號的功率放大器(PA)一直是手機中耗電量最大的元器件，因此有效地降低功率放大器的平均消耗電流將能大幅度延長(cháng)手機的通話(huà)時(shí)間。在本文中，我們將探討一種全新的功率放大器設計概念，其功率放大器的驅動(dòng)電路在一般情況下都以中低等輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時(shí)才啟動(dòng)功耗較高的功率放大器電路。這種技術(shù)不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且操作非常簡(jiǎn)單。了解手機在實(shí)際使用情況下的輸出功率概率分布，是在有限的電池容量下有效地延長(cháng)通話(huà)時(shí)間的重要基礎。

手機功率放大器的關(guān)鍵規格

線(xiàn)性度：功率放大器的線(xiàn)性度將直接影響到手機的性能，例如CDMA2000系統中的相鄰頻道功率比(ACPR)和WCDMA系統中的相鄰頻道泄漏比(ACLR)。為避免與其它頻道或系統間的相互干擾，不管在何種情況下，也不能為達到這些規格的要求而妥協(xié)。

功率加效率：功率加效率(PAE)是通過(guò)放大器取得輸出的射頻功率和輸入的直流功率的百分比：

傳統的3G功率放大器設計都把焦點(diǎn)放在如何在高功率模式下取得較高的PAE。例如，使用E-pHEMT(增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管)的傳統CDMA功率放大器在+28dBm輸出功率時(shí)可以達到40%的PAE，但在中、低功率輸出時(shí)的PAE卻會(huì )降得很低。

圖2：傳統和最佳化功率放大器的特性比較。

當采用旁路高功率級3G功率放大器的設計概念，而不是試圖將高功率模式的效率最佳化時(shí)，我們將可專(zhuān)注于如何在提高實(shí)際工作情況下包含高、中、低等功率模式的整體通話(huà)時(shí)間。如果能有效地選擇驅動(dòng)電路的增益、功率輸出能力和線(xiàn)性度以及輸出級電路，包括通話(huà)時(shí)間在內的整體性能都可以得到大幅度地改善。

增益控制：在CDMA或WCDMA功率放大器上常見(jiàn)的偏壓控制基本上可以分為兩種，即模擬偏壓控制和數字偏壓控制。模擬偏壓控制較為復雜，部分原因是由于需要基帶芯片組提供穩定、可變的模擬電壓，與提供較寬松的“on”或“off”數字控制電壓相比來(lái)說(shuō)要困難許多。此外，改變模擬控制電壓經(jīng)常會(huì )影響到放大器的增益平穩度，使手機輸出功率的調整更加困難，因此最新的3G功率放大器設計一般都會(huì )采用數字控制。

功率放大器如何延長(cháng)通話(huà)時(shí)間

在大部分的情況下，提升功率放大器的高功率模式PAE通常只能微幅改善通話(huà)時(shí)間。從圖1所顯示的實(shí)際CDMA系統中，可根據手機輸出功率概率分布函數的計算結果來(lái)證明這項假設。

圖3：旁路高功率級的電路概念，可采用傳統開(kāi)關(guān)或使用安華高科技CoolPAM放大器的可變阻抗并聯(lián)傳輸線(xiàn)。

如圖1所示，不管手機是在市區還是郊區使用，它的功率輸出大部分集中在-10dBm至+10dBm(中/低功率范圍)的范圍內，只有在少數距離基地臺較遠的郊區才有可能長(cháng)時(shí)間使用高輸出功率模式。如果只專(zhuān)注于改善高功率模式的PAE，其實(shí)并不能大幅度延長(cháng)通話(huà)時(shí)間，所以我們應該將重點(diǎn)放在提高中、低功率的PAE上。圖1中同時(shí)也顯示了幾種不同的功率放大器模塊(PAM)在低、中和高功率模式下工作時(shí)的相對電流消耗。與智能PAM或模擬PAM相比，圖1中的傳統PAM在中、低功率范圍時(shí)耗電量最高。因為其增益幾乎在所有功率輸出范圍都維持固定，而智能PAM因為采用數字偏壓調變，在中、低功率模式下不但可以微幅降低增益，還可以微幅改善電流消耗。模擬控制PAM則在增益控制上使用可變的模擬偏壓，雖然可以微幅改善通話(huà)時(shí)間，但是卻會(huì )造成大幅度的增益變動(dòng)。另一方面，不管是第一代或第二代的CoolPAM技術(shù)，都采用獨特的數字偏壓切換和適當增益控制的組合，可使CoolPAM放大器在中、低功率模式下大幅度降低電流消耗，同時(shí)降低待機時(shí)的耗電量。

平均電流和通話(huà)時(shí)間的關(guān)系：

平均電流 = ∫ (PDF ( 電流) dp

通話(huà)時(shí)間正比于平均電流的倒數。(注：PDF為概率分布函數，如圖1。)

功率放大器平均電流是每種可能輸出功率模式的電流乘以在-50dBm到+28dBm輸出功率范圍內的相對應使用概率的積分，那么通話(huà)時(shí)間就與這個(gè)平均電流的倒數成正比。

根據這個(gè)關(guān)系，平均電流實(shí)際上是受到系統中功率輸出概率分布的影響，所以按照該原則所得到的3G功率放大器設計可以用來(lái)改善中、低功率的PAE，并降低中、低功率的電流消耗。

最佳3G PAM的設計概念

從圖2中可以看出，傳統的功率放大器通常以固定增益形式設計，在+28dBm輸出功率的高功率模式下一般可以實(shí)現40%的PAE，但在+16dBm輸出功率時(shí)卻只能實(shí)現8%到10%，而且當輸出功率增加時(shí)，大部分功率放大器設計中的線(xiàn)性度和ACPR特性就會(huì )變得更差。特別是當功率放大器接近飽和時(shí)，ACPR值也將大幅度提高，但對中、低功率模式來(lái)說(shuō)，要符合ACPR規格并不困難。

圖4：不同功率放大器在市區和郊區的平均耗電量比較。

最佳化的3G PAM設計概念通常會(huì )為高、中、低輸出功率設計兩種不同的增益。當手機需要在高功率模式下工作時(shí)，可將功率放大器設定為高增益模式，但在需要低輸出功率的情況下，也可支持低增益模式。通過(guò)改變功率放大器的增益，可大幅度降低中、低輸出功率工作時(shí)的電流消耗。它可以提供大約20%的中等功率PAE，而傳統的僅能達到8-10%。雖然低功率低增益模式會(huì )對ACPR值的產(chǎn)生一定影響，但還是能夠提供足夠的余量來(lái)滿(mǎn)足ACPR的限制要求。

最佳功率放大器的設計實(shí)現

這種級旁路功率放大電路(stage-bypass PA)的應用其實(shí)非常簡(jiǎn)單。如圖3中所示，當手機需要高輸出功率時(shí)，第二級電路的并聯(lián)開(kāi)關(guān)就會(huì )打開(kāi)，發(fā)送信號便可通過(guò)兩個(gè)串接的功率級電路放大，達到+28dBm的輸出功率。而當手機只需中、低功率輸出時(shí)，該開(kāi)關(guān)可以自動(dòng)關(guān)閉，通過(guò)旁路第二級電路并關(guān)閉偏壓。因此在設計上主要的要求是第一級電路必須能提供中、低功率工作時(shí)所需的線(xiàn)性度和輸出功率容量。

實(shí)現此旁路功能的最簡(jiǎn)單方法就是使用晶體管作為開(kāi)關(guān)，但缺點(diǎn)則是該晶體管也需要電流來(lái)工作，這種額外的電流消耗將會(huì )增加放大器的整體耗電量，因此CoolPAM功率大器是通過(guò)變更并聯(lián)傳輸線(xiàn)的阻抗實(shí)現切換功能。

平均電流的比較

如圖4所示，與傳統功率放大器相比，最佳化的功率放大器不管是在市區或郊區，都擁有較低的平均耗電。

平均電流是將每個(gè)輸出功率乘以概率分布函數的總和加起來(lái)計算。對于在市區工作的傳統功率放大器來(lái)說(shuō)，典型平均電流約為118mA，在郊區時(shí)則為136mA。兩種情況相比，采用旁路高功率級電路的3G功率放大器可實(shí)現大約36mA或更低的平均電流。如果采用一個(gè)850mA/H的電池，而且基帶芯片組的平均電流消耗為200mA，那么傳統的功率放大器在市區的通話(huà)時(shí)間為160分鐘，在郊區則為152分鐘。具有消除額外功率消耗的旁路切換晶體管的CoolPAM功率放大器，如果在相同的條件下，在市區的通話(huà)時(shí)間可以達到224分鐘，比傳統功率放大器還要高出64分鐘。