采用DC/DC轉(zhuǎn)換器提高RF PA系統(tǒng)效率

2017-07-07 10:00:07

　傳統(tǒng)上，CDMA/WCDMA蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中使用的射頻功率放大器都直接由電池供電，這種供電方式使系統(tǒng)很容易設(shè)計(jì)。但是，這種標(biāo)準(zhǔn)中使用的線性功率放大器在整個(gè)發(fā)射功率范圍內(nèi)的實(shí)際效率很低。

　　隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳輸速率已從CDMA-1標(biāo)準(zhǔn)中的14.4kbps發(fā)展到CDMA2000/WCDMA標(biāo)準(zhǔn)中的2Mbps。此外，為了增加從每個(gè)用戶獲得的平均收入，蜂窩通信運(yùn)營(yíng)商已開始增加與3G電話相關(guān)的服務(wù)。同時(shí)，通話時(shí)間和電池壽命也期望采用具有同樣或稍高一些容量的電池來(lái)獲得提高。這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更富有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須非常謹(jǐn)慎，對(duì)手機(jī)電路板上每一個(gè)元件的功率進(jìn)行考察。從功率預(yù)算的角度而言，直接由電池供電的射頻功率放大器（RF PA）是需要重點(diǎn)考慮的元件。

　　CDMA和WCDMA采用的調(diào)制電路導(dǎo)致了一種表現(xiàn)為非常數(shù)振幅包絡(luò)的調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生。為了保持信號(hào)的完整性以及促進(jìn)頻譜再生，需要一種線性功率放大器。然而，由于功率放大器只有運(yùn)行在增益壓縮條件下才能保持較高的效率，因而轉(zhuǎn)換效率并不高。為了達(dá)到所需要的線性，實(shí)際發(fā)射功率從功率放大器的壓縮點(diǎn)開始補(bǔ)償，這導(dǎo)致了效率的整體降低。當(dāng)手機(jī)以發(fā)射模式工作時(shí)，由于功率放大器實(shí)際效率低，射頻部分的功耗將占功率總預(yù)算的65%。

圖1：舊方法與新方法

　　因此，采用磁性降壓轉(zhuǎn)換器供電是線性功率放大器的理想選擇，這將大幅度提高系統(tǒng)的效率。增加的功率效率（PAE）是功率放大器的主要性能指標(biāo)。

PAE(%)= (POUT-PIN)/Pdc

　　使用DC-DC轉(zhuǎn)換器（功率放大器電源穩(wěn)壓器）的主要目的是減少分母中的Pdc因子。當(dāng)功率放大器與電池直接相連時(shí)，Pdc=Vbatt*Ibatt,而當(dāng)它使用功率放大器電源穩(wěn)壓器供電時(shí)，Pdc=V o*I o。現(xiàn)在我們能夠看出，為了增加PAE，V o和Io 必須低于Vbatt和Ibatt。這可以通過(guò)降低發(fā)射的射頻功率電平，降低功率放大器電源穩(wěn)壓器的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣也降低了Io （功率放大器的吸收電流），并且由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的高效性，電池的輸出電流也會(huì)降低。

　　為了真正理解電源穩(wěn)壓器為功率放大器帶來(lái)的功率節(jié)省，考慮面向不同調(diào)制方法的功率概率圖非常重要（見圖2）。功率概率圖在城市地區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)會(huì)有所不同。

圖2：在標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)中，功率放大器在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)發(fā)射低功率電平，采用功率放大器電源穩(wěn)壓器會(huì)提高功率節(jié)省的概率。

　　如圖3所示，為了符合鄰道功率抑制比（ACPR）的要求，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須隨著發(fā)射功率電平的變化而變化。在0d Bm到20d Bm的功率電平范圍內(nèi)，電池電流可節(jié)省多達(dá)50mA。圖2表示的是功率放大器在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，運(yùn)行在這樣的功率電平范圍內(nèi)。

圖3：當(dāng)功率放大器使用DC-DC轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，電池電流的節(jié)省情況

圖4：當(dāng)功率放大器由電源穩(wěn)壓器供電時(shí)，功率節(jié)省的百分比

　　那么，當(dāng)發(fā)射功率電平提高時(shí)，我們?yōu)槭裁幢仨毟淖僁C-DC轉(zhuǎn)換器的電壓呢？答案是：這種改變是保持鄰道功率抑制比（ACPR）的需要。ACPR用于表示功率放大器的失真狀況和其他子系統(tǒng)或系統(tǒng)引起鄰信道干擾的趨向。它指的是主信道的功率譜密度（PSD）與在幾種不同的失調(diào)頻率下測(cè)量的功率譜密度的比值。

圖5：功率放大器的供電電壓和POUT怎樣影響ACLR

　　圖5表明，當(dāng)Pout增加時(shí)，如果功率放大器的供電電壓沒有增加，則ACLR的性能指標(biāo)無(wú)法滿足要求。

　　WCDMA的系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)（3 GPP）是－34d Bc，為了保持足夠的余量（由溫度和器件的差異引起），ACLR的值一般定為－38d Bc。

為射頻功率放大器供電的降壓轉(zhuǎn)換器的主要要求

為射頻功率放大器供電的降壓轉(zhuǎn)換器具有特殊的功能，與為數(shù)字核心處理器供電的降壓轉(zhuǎn)換器有很大的差別。它們的差別主要在于工作特性和參數(shù)，例如開關(guān)式FET導(dǎo)通電阻、電流限值、瞬態(tài)反應(yīng)、運(yùn)行模式（例如PFM/PWM）、啟動(dòng)時(shí)間、靜態(tài)電流和壓降情況。以下實(shí)例對(duì)這些差異進(jìn)行說(shuō)明：

在寬范圍輸出電壓和負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率

實(shí)例：在VIN=4.2V、V o=3.4V、Io =400mA（高射頻功率）時(shí)，LM3205的效率達(dá)到96%，在VIN=3.9V、V o=1.5V、I o=100mA（低射頻功率）時(shí)，效率為87%。

* 動(dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)

實(shí)例：可使用V con引腳將LM3205的輸出電壓在0.8V～3.6V之間調(diào)節(jié)。V con到Vo的電壓增益為2.5。

* 30微秒的輸出壓擺率和建立時(shí)間（每個(gè)667微秒發(fā)射周期開始處的50微秒窗口期，在這一時(shí)間內(nèi)，必須完成Vcon的調(diào)節(jié)）。在WCDMA結(jié)構(gòu)中，發(fā)射功率按照基站的要求，每667微秒加（或減）1 dB。

* 在占空比接近100%時(shí)的低壓降和低紋波

實(shí)例：低RDSON （140 m?）的PFET（LM3205）或旁路FET（LM3024）產(chǎn)生低壓降，脈沖省略電路在占空比接近100%時(shí)的低紋波。

* 在低輸出電壓下的低占空比操作

實(shí)例：50納秒的最小導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)了10%占空比的操作，以及0.8V或者更低的輸出電壓。當(dāng)然，這取決于V IN的范圍。

* 高開關(guān)頻率

實(shí)例：2MHz的開關(guān)頻率有助于使用更小型的外部元件，并達(dá)到頻譜發(fā)射要求。

* 快速導(dǎo)通以滿足發(fā)射開/關(guān)的時(shí)標(biāo)要求

實(shí)例：在V 0=3.4V，EN從低到高變化時(shí)，LM3203的導(dǎo)通時(shí)間為50微秒。

100%的占空比對(duì)比旁路模式

當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器以100%的占空比運(yùn)行時(shí)，電壓降為：

電壓降＝（RON,P+RL）·IO,

在這里，R ON,P是PFET的R DSON，R L是電感器的DCR。對(duì)于具有旁路FET的功率放大器電源穩(wěn)壓器，旁路模式的電壓降為：

電壓降＝（RON,BYP）·IO,

在這里，RON,BYPDSON DSON

應(yīng)用電路實(shí)例

如圖六所示，在該實(shí)例中，基帶具有查找表電路，該電路可根據(jù)所需要的輸出功率電平設(shè)定輸出電壓。

圖六：基帶直接控制Vo

在圖七情況下，功率檢測(cè)器是閉環(huán)的一部分，并設(shè)定輸出電壓。

圖七：使用功率檢測(cè)器設(shè)定Vo

結(jié)論

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器提高了手持移動(dòng)設(shè)備中射頻功率放大器系統(tǒng)的效率，并能夠通過(guò)提高電池壽命來(lái)支持更多的特性和功能。

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