利用SuPA給手持設備射頻功率放大器供電

在手持設備中給射頻功放供電一直是一個(gè)比較難做的設計，因為一方面需要提高射頻功放的工作效率用來(lái)延長(cháng)電池的工作時(shí)間，另一方面又不能在提高工作效率的同時(shí)降低功放的工作性能，所以必須為其提供一個(gè)滿(mǎn)足要求的高效直流電源。 常規的方式是將功放的電源端與電池直接連接供電，但是這種工作模式會(huì )使得功放的工作效率變得很低，不能滿(mǎn)足高效低功耗要求。德州儀器公司推出的 SuPA(Supply for Power Amplifier)系列的DC/DC產(chǎn)品從工作機理上做了創(chuàng )新，采用平均功率跟蹤(Average Power Track)技術(shù)和包絡(luò )跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)優(yōu)化了射頻功放工作時(shí)功率消耗，從而提高了功放的工作效率，延長(cháng)了電池的工作時(shí)間。本文著(zhù)重闡述平均功率跟蹤技術(shù)的工作原理和SuPA 的應用設計，從而方便設計工程師能夠快速地理解和應用此項技術(shù)，實(shí)現高效的功放電源設計?！　?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/259622.htm

射頻功放的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)

隨著(zhù)數據業(yè)務(wù)的不斷增加，目前已經(jīng)由2G向3G和4G轉移，所以要求功放承擔更多的任務(wù)，因此要求功放具有更多工作模式和頻率帶寬滿(mǎn)足不同地區的制式，同時(shí) 還要滿(mǎn)足更高的工作效率從而保持電池的長(cháng)時(shí)間續航能力，因此為了滿(mǎn)足這種要求，使用ET模式或者APT模式的射頻電源就逐步成為趨勢。

包絡(luò )跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)及平均功率跟蹤技術(shù)(Average Power Track)

1. 包絡(luò )跟蹤技術(shù)

簡(jiǎn) 而言之，就是在功放的工作電壓與輸入的射頻信號之間建立聯(lián)系使之實(shí)時(shí)互相跟隨，從而提高功放的工作效率的技術(shù)，按照理論計算，相對直接使用電池的供電方 式，它可以幫助系統節省65%的功耗，SuPA的新一代產(chǎn)品將會(huì )支持此模式。它的基本原理是：射頻處理單元和基帶處理單元根據射頻信號、功率等級和功放的 自身特性參數計算出包絡(luò )信號(Envelop signal)，同時(shí)射頻、基帶單元中的差分DAC會(huì )提供一個(gè)模擬參考信號，ET電源(ETPS)會(huì )將包絡(luò )信號放大，然后送往PA，于此同時(shí)PA會(huì )將RF 信號放大，使得RF信號和PA的工作電壓跟隨，最后功放將放大后的信號送給雙工器，雙工器會(huì )把帶寬以外的信號衰減掉，同時(shí)將有用的信號凸顯出來(lái)。

2. 平均功率跟蹤技術(shù)

這 種方式又稱(chēng)為自適應電壓調節方式(Adaptive Supply)，它是根據功放的預先輸出功率、結合功放的自身參數來(lái)自動(dòng)調整功放的工作電壓的技術(shù)，按照理論計算，相對于電池直接供電模式，它可以幫助系 統節省40%的電能。相對ET方式，APT使用和設計起來(lái)更加簡(jiǎn)單和方便，SuPA當前產(chǎn)品主要支持這種模式。

圖1：平均功率跟蹤(APT)模式，能量消耗區域，紅色部分為消耗區

APT模式的SuPA的優(yōu)點(diǎn)

SuPA 電源變換器與傳統的同步整流降壓型直流變換器的內部拓撲是一致的，沒(méi)有很大的不同，但是它的負載動(dòng)態(tài)響應和主動(dòng)負載電流輔助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做過(guò)優(yōu)化的，因此它可以滿(mǎn)足當負載電壓和電流發(fā)生變化時(shí)可以快速響應，主動(dòng)電流輔助旁路功能可以滿(mǎn)足當入口電壓瞬間下降或者負載電流瞬間 增加時(shí)，可以將變換器迅速切換成類(lèi)似負載開(kāi)關(guān)模式，這樣做有兩個(gè)好處：第一，可以將電池能量快速提供給負載，滿(mǎn)足負載需求；第二，可以使用小尺寸、小電流 電感，當負載電流超過(guò)電感的電流極限時(shí)，那么ACB功能開(kāi)關(guān)V3就會(huì )進(jìn)入工作模式，將額外的負載電流承擔過(guò)來(lái)提供給負載，無(wú)需再經(jīng)過(guò)電感，所以可以使用小 尺寸的電感，滿(mǎn)足超緊湊設計要求，這在實(shí)際應用設計中是非常重要的。

APT模式下SuPA的原理圖設計和關(guān)鍵功率器件設計：

圖2：LM3242的典型原理圖

圖2是LM3242的典型原理圖，為了清楚闡述功率器件設計過(guò)程，下面將分為兩大部分進(jìn)行說(shuō)明。

輸入、輸出電容設計考慮

從圖2中可以看到輸入電容為1nF和10uF組合，這樣做的原因是可以濾除不同頻率的噪音，輸入端噪音可以來(lái)自?xún)蓚€(gè)部分：第一，來(lái)自于輸入端電源總 線(xiàn)上的噪音，比如總線(xiàn)還給其他負載供電，而這些負載的電源也是來(lái)自于DC/DC變換器，因此在電源總線(xiàn)就會(huì )疊加非常豐富的噪音；第二，來(lái)自于LM3242 的自身開(kāi)關(guān)噪音，它的開(kāi)關(guān)噪音同樣會(huì )疊加在輸入端，因此可能會(huì )干擾總線(xiàn)上的其它負載芯片，所以實(shí)際設計時(shí)，入口還會(huì )需要更多不同容值的電容才可以滿(mǎn)足濾除 不同噪音頻率的要求，比如10pF或者100pF的電容也會(huì )用到，不同容值的電容所針對的最佳濾除頻率也是不一樣的，對于大容量的電容來(lái)說(shuō)它可以濾除的頻 率范圍相對來(lái)說(shuō)窄一些，因為它的拐點(diǎn)頻率比較低，在拐點(diǎn)頻率之內，電容的阻抗是呈下降趨勢，也就是表現的是容性特質(zhì)，但是拐點(diǎn)頻率之上，阻抗是呈上升特 性，則表現的是電感特性，因此不再具有濾波作用，這也就是需要搭配不同容值電容的原因所在，因為噪音頻率非常豐富，一種容值的電容是不可能把寬頻帶的噪音 全部濾除掉，另外還要注意同等容值、同等耐壓的小尺寸的電容表現出來(lái)的容性帶寬更寬一些，這主要是小尺寸的電容它的內部寄生電感量更小一些、同時(shí)它的有效 容量更低一些，因此表現出來(lái)的特性就是濾除噪音的帶寬更寬一些，從圖中可以看出小容量但是尺寸更小的01005封裝的電容，它可以濾除的噪音頻帶更寬。

圖3: 電容阻抗和頻率關(guān)系圖

輸出電感設計考慮：

功率電感的計算，一般可以參照下面公式進(jìn)行計算

Vo：輸出電壓，D：Vo/Vin，Fsw：開(kāi)關(guān)頻率，比如LM3242，開(kāi)關(guān)頻率是6MHz；ΔIo：電感內部的紋波電流，可以取(0.2~0.5)Io

結論和主流射頻功放電源產(chǎn)品

當今的手持設備功能越來(lái)越豐富，因此對于手持設備的電源系統設計來(lái)說(shuō)挑戰性越來(lái)越高，在滿(mǎn)足高性能的同時(shí)盡可能延長(cháng)續航時(shí)間是電源設計的終極目標，本文所討論的SuPA 產(chǎn)品可以有效節省射頻單元的耗電量，盡可能把寶貴的能量留給其他應用處理器，有效提高設備的工作時(shí)間，目前德州儀器公司出品了一系列產(chǎn)品去滿(mǎn)足不同射頻功放的要求，比如LM3242，LM3243，LM3262，LM3263以及支持既可以升壓又可以降壓的產(chǎn)品滿(mǎn)足未來(lái)的4G應用。