2G至3.5G蜂窩移動(dòng)設(shè)備的高效RF功率管理

表2: 在WCDMA信號(hào)調(diào)制下使用 FAN5904時(shí)，通話時(shí)間和數(shù)據(jù)使用時(shí)間方面的改善

表2顯示了圖2和圖3的結(jié)果，以及功率放大器只工作于高功率模式下相應(yīng)的分鐘數(shù)。在HSUPA、CDMA200 1x EV-DO和 TD-SCDMA等不同信號(hào)調(diào)制模式下，電流消耗和通話時(shí)間都有類似的改善。這里把高功率模式工作的通話/數(shù)據(jù)使用時(shí)間一起顯示的原因是：新技術(shù)不僅得到了更多的分鐘數(shù)，從設(shè)計(jì)角度來看，亦簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)工作。當(dāng)功率放大器具有多種功率模式時(shí)，固件必需適應(yīng)何時(shí)從一個(gè)等級(jí)切換到下一個(gè)等級(jí)，因?yàn)樵谡麄€(gè)輸出功率范圍內(nèi)，每個(gè)功率放大器的每種功率模式都存在獨(dú)特的VPA-POUT 曲線。由于現(xiàn)在大多數(shù)手機(jī)都支持至少三個(gè)頻段，這意味著滿足要求的系統(tǒng)中可能有三種3G功率放大器，所以增加了復(fù)雜程度。在處于一種功率模式的功率放大器中使用FAN5904，可以消除模式切換帶來的復(fù)雜性，更快地進(jìn)行功率放大器校準(zhǔn)，因?yàn)樾枰男?zhǔn)點(diǎn)較少。這樣就縮短了測(cè)試/校準(zhǔn)的時(shí)間，并且降低了制造成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。

圖 4. POUT = 28dBm時(shí)3G功率放大器的熱成像

一個(gè)時(shí)常被忽視,但經(jīng)常遭到抱怨的參數(shù)是耗熱問題。在手持電話貼近頭部進(jìn)行通話，使用手機(jī)網(wǎng)上沖浪或者玩在線網(wǎng)絡(luò)游戲時(shí)手機(jī)發(fā)熱，大多數(shù)用戶會(huì)因此而感到煩惱。問題的關(guān)鍵在于,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)手機(jī)時(shí)必需將這一因素考慮在內(nèi)。圖4所示為某3G功率放大器的熱成像，其中，(a)為使用FAN5904來供電;(b)為直接與電池連接;(c)為電池以4.2V電壓充電。使用FAN5904時(shí)，在滿輸出功率情況下，功率放大器的溫度幾乎不可能達(dá)到50?C，在(b)和(c)的情況下，溫度很容易達(dá)到50?C和65?C，使用一段時(shí)間后，手機(jī)會(huì)很快發(fā)熱。在數(shù)據(jù)卡應(yīng)用中，尤其是3G USB調(diào)制解調(diào)器卡開始流行，熱耗散，或者說實(shí)現(xiàn)熱耗散最小化變得十分重要。USB卡不能像手機(jī)那樣有效地散熱，因?yàn)樗捏w積非常小。由于3G調(diào)制解調(diào)器主要用于數(shù)據(jù)，功率放大器在大部分時(shí)間運(yùn)行于“發(fā)熱”狀態(tài)。減少這種熱量的最有效方式是使用諸如FAN5904的降壓轉(zhuǎn)換器。

FAN5904的一個(gè)關(guān)鍵特性是,支持3G功率放大器的6MHz開關(guān)頻率和支持GSM/EDGE功率放大器模塊的3MHz開關(guān)頻率，可以使用小體積的電感和電容。FAN5904使用1008規(guī)格(2.5mm x 2.0mm)的0.47?H電感，分別使用10?F 0603和2.2?F 0603電容作為輸入和輸出電容，實(shí)現(xiàn)占位面積很小的PCB解決方案，并且沒有影響降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

另一個(gè)常常被遺忘的參數(shù)是瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)需要在不同電壓之間進(jìn)行跳變，以便為功率放大器提供合適的輸出功率時(shí)，對(duì)各種無線協(xié)議而言，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間變得尤為重要。FAN5904以6MHz的頻率進(jìn)行切換時(shí)，具有非常短的10?s響應(yīng)時(shí)間 (如圖5所示)，完全滿足時(shí)隙間隔為25?s的WCDMA規(guī)范和IOPC 6.4.2規(guī)范要求。

圖 5. FAN5904在WCDMA模式中電壓跳變的上升和下降時(shí)間

在輸出功率需要從低水平變到高水平，或者從啟動(dòng)開始，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為10?s。對(duì)于降壓穩(wěn)壓器而言，關(guān)鍵是使功率放大器滿足這些規(guī)范要求，避免出現(xiàn)通話中斷或者通話語音質(zhì)量不良的情況。由于用戶在不同的區(qū)域移動(dòng)，信號(hào)覆蓋情況或好或壞，雖然如此，通話中斷現(xiàn)象是用戶所不能容忍的。對(duì)于GSM/EDGE模式，F(xiàn)AN5904能夠在5?s內(nèi)完成電壓之間的跳變，滿足GSM規(guī)范。圖6所示為用于WCDMA和GSM/EDGE發(fā)送器的FAN5904時(shí)序圖。

圖 6. 用于WCDMA (a) 和GSM/EDGE (b) 發(fā)送器的FAN5904時(shí)序圖

在使用降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，我們關(guān)心的是開關(guān)頻率如何影響RF性能，RF工程師極不愿意添加一個(gè)會(huì)對(duì)RF信號(hào)保真度(發(fā)送和接收兩個(gè)方面)造成潛在影響的器件。如前所述，F(xiàn)AN5904采用PWM或 PFM模式工作，分析顯示，兩者均不會(huì)對(duì)RF性能造成影響。圖7(a)所示為28.5dBm信號(hào)的發(fā)送CW(關(guān)閉調(diào)制以顯示接近中心的尖刺)，以及距右側(cè) 6MHz的標(biāo)記1。FAN5904產(chǎn)生的假性音調(diào)(spurious tones)水平很低，使得尖刺低于噪聲本底。圖7(b)所示為開啟調(diào)制時(shí)的尖刺水平。這種尖刺很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Tx遮蔽水平。FAN5904具有6MHz 開關(guān)頻率的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于該頻率遠(yuǎn)離信號(hào)頻率，并且位于5MHz的帶寬之外，轉(zhuǎn)換成位于WCDMA信號(hào)兩側(cè)的2.5MHz頻率。

圖 7. 在(a) CW調(diào)制和(b) WCDMA調(diào)制下，F(xiàn)AN5904在PWM模式下以6MHz的頻率進(jìn)行開關(guān)

或許在PFM模式下，我們更加關(guān)注的是尖刺會(huì)在哪里進(jìn)入信號(hào)調(diào)制。通過進(jìn)一步查看圖8(a)，在CW模式中，尖刺仍然在-40dBc以下，在8 (b)中，更重要的是該尖刺處于WCDMA調(diào)制遮蔽之下。

表3: 連接電源和FAN5904的3G功率放大器的EVM測(cè)量比較

表3列出了所測(cè)量的0dBm 和-45dBm (圖8中VPA 值接近VOUT_DCDC )輸出功率的EVM，比較使用電源和FAN5904為3G功率放大器供電的情況。兩列數(shù)值之間的差異很小，這清楚表明信號(hào)保真度的變化不大，不會(huì)影響RF 性能，遠(yuǎn)在WCDMA極限數(shù)值之下。