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

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。

⑴ 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。

⑵ 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。

該開(kāi)關(guān)調節器可避開(kāi)線(xiàn)性穩壓器的效率缺點(diǎn)，通過(guò)低阻抗開(kāi)關(guān)及—個(gè)磁性存儲組件，可提供高達96%的轉換效率，故可極大地減少轉換過(guò)程中的功率損失。 通過(guò)在較高的開(kāi)關(guān)頻率(譬如大于2MH2)工作，可極人地減少外部電感器及電容器的尺寸。該開(kāi)關(guān)調節器對最新3G手機而言是很有效的系統電源管理，例如用 于圖像處理的應用處理器上。

2.2 用低壓差、脈寬調制(PWM)DC-DC降壓轉換器提高發(fā)送效率的方案

⑴ 低壓差、脈寬調制(PWM)DC-DC降壓轉換器MAX1821可為WCDMA手機功率放大器(PA)供電設計，當然，它也可以用于其它需要優(yōu)先考慮高效 率的應用。供電電壓范圍2.6V～5.5V，保證輸出電流達600mA，1MHz PWM開(kāi)關(guān)頻率允許采用小尺寸外部元件，跳頻模式使輕載靜態(tài)電流降低至180?A。MAX1821可以動(dòng)態(tài)控制，提供0.4V～3.4V的輸出電壓范圍。 在電壓和電流的滿(mǎn)量程范圍內，該電路的設計能夠保證在30?s內建立輸出電壓。MAX1821通過(guò)外部電阻設置輸出電壓，提供 1.25V～5.5V固定輸出電壓范圍。

MAX1821具有一個(gè)低導通電阻的內部MOSFET開(kāi)關(guān)和同步整流器，大大提高了轉換效率、減少了外部元件數;100%占空比在600mA負載下(包括外部電感電阻在內)允許壓差僅有150mV。圖2(a)所示為基于開(kāi)關(guān)調節器技術(shù)以提高發(fā)送效率的設計框圖。

基站收發(fā)器系統(BTS)部件包括天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、信號處理系統以及支持、控制硬件和軟件，見(jiàn)圖2(b)所示。

對于廣域蜂窩站，接收器—般通過(guò)雙上器模塊和塔頂部件連接到天線(xiàn)。塔頂部件由低噪聲放大器(LNA)組成，在發(fā)送端天線(xiàn)前饋連高功率放大器 (HPA)。從圖2(a)中可看出，實(shí)際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降壓型開(kāi)關(guān)調節器，也組成了1MHZ脈寬調制降壓 轉換器，其PWM開(kāi)關(guān)頻率為1MHZ。

⑵開(kāi)關(guān)調節器為WCDMA功放優(yōu)化配置，有利于提高發(fā)送效率的運行

實(shí)際上，重點(diǎn)是從系統性能的角度對特殊用途的MAX1820開(kāi)關(guān)調節器有些什么樣的特殊性能作分析，從而優(yōu)化配置的運行也顯而易見(jiàn)了。

從圖2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821這樣的高效率開(kāi)關(guān)調節器能動(dòng)態(tài)地調整WCDMA功率放大器的供電電壓，并使其跟隨功放的發(fā)送功率而 變化，又剛好能滿(mǎn)足射頻信號的幅度要求。既可以提高電源的利用率，又減少了功率浪費。采用開(kāi)關(guān)調節器高效率地實(shí)現這種調節，在峰值發(fā)送功率以外的任何工作 條件下，都可大幅度地節省電池功率，見(jiàn)圖3所示。
新型HELP技術(shù)與開(kāi)關(guān)調節器在3G手機中的應用

圖3高效率開(kāi)關(guān)調節器大幅度地節省電池功率圖

因為峰值功率只有在手機遠離基站/或數據傳送時(shí)需要.。從總體來(lái)講，這種方案的省電效果是非常顯著(zhù)的。如果功放的供電電壓能夠在一個(gè)足夠寬的范圍內高效率地動(dòng)態(tài)調節，那么，就有可能采用固定增益的線(xiàn)性功放，省掉目前廣泛應用于3G時(shí)代前電話(huà)的偏置控制。