利用自適應(yīng)變化電源提高功率放大器效率

　CDMA手機(jī)功放MAX2291

　　MAX2291是采用UCSP封裝的線(xiàn)性RF功率放大器，針對(duì)工作在PCS波段的N-CDMA手機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)修改輸入、輸出匹配電路，它還可以很好地工作在1920～1980MHz的WCDMA波段，電路如圖1所示。該芯片包含用于強(qiáng)發(fā)射功率的輸出通道和中等/低功率發(fā)射的輸出通道，與其他功率放大器相比，它在低功率模式下能夠提供較高的效率。通過(guò)外部偏置控制也可以調(diào)節(jié)增益和相鄰信道功率抑制比，在較寬的工作范圍優(yōu)化系統(tǒng)。增大第一級(jí)功放的偏置電流，可提高增益、改善ACPR，但會(huì)損失一定的效率；增大第二級(jí)功率放大器的偏置電流，將會(huì)提高增益，但是效率和ACPR指標(biāo)將會(huì)受到一定影響。最好的方案是根據(jù)功率需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功放偏置。例如，可以用電流輸出DAC直接驅(qū)動(dòng)BIAS引腳，也可以使用電壓輸出DAC。每個(gè)BIAS引腳產(chǎn)生一個(gè)大約1.1V的基準(zhǔn)電壓，接在該引腳與GND之間的電阻可以改變流入BIAS1H引腳的電流，如果用另外一個(gè)電阻接在BIAS1H引腳和電壓輸出DAC之間，DAC輸出可以控制流入BIAS1H引腳的電流。當(dāng)DAC輸出電壓低于1.1V時(shí)，將會(huì)有電流流出BIAS1H引腳，所以，如果采用DAC控制，DAC應(yīng)該具備源出/吸收100μA電流的能力。

　　在蜂窩電話(huà)應(yīng)用中，平均發(fā)射功率為+12～+16dBm，因此功率放大器在“中等”功率下的效率對(duì)于延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間至關(guān)重要。MAX2291在功率調(diào)節(jié)方面做了許多改進(jìn)，它在由大功率通道提供+27dBm輸出功率時(shí)，具有+37%的功效，由低功率通道提供+16dBm輸出功率時(shí)，也只有12%的功效。而且，當(dāng)在兩個(gè)通道之間進(jìn)行切換時(shí)，信號(hào)的相位偏差超出了80°，需要在基帶部分進(jìn)行處理和修正。改變MAX2291的電源電壓，僅使用其大功率放大通道，是在中等功率或低功率下提高MAX2291功效的另一途徑。MAX8506開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器能夠提供動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的輸出電壓，滿(mǎn)足這一需求。從試驗(yàn)結(jié)果看，MAX2291可以在+16dBm輸出功率下將功效提高到18.9%，ACPR為-38dBc，而且沒(méi)有相位偏移，功放增益隨著Vcc的降低而減小。

　　功放供電電路

　　MAX8506是600mA開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，能夠按照所需要的輸出功率為MAX2291提供變化的電源電壓Vcc，其內(nèi)部框圖與應(yīng)用電路如圖2所示。MAX8506內(nèi)部集成了一路PWM降壓控制器和一個(gè)導(dǎo)通電阻為75mΩ的旁路場(chǎng)效應(yīng)管，可以在0.4～3.4V范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)WCDMA或CDMAOne手機(jī)中功放的電源電壓，當(dāng)手機(jī)發(fā)送功率低于其最大值時(shí)，有助于提高功放效率。MAX8506有HP和REF_IN兩個(gè)控制引腳，HP用于電源轉(zhuǎn)換器旁路控制，大功率輸出時(shí)，將HP置為高電平，使MAX8506電源輸出端通過(guò)內(nèi)部MOSFET直接與電池連接，以降低滿(mǎn)功率輸出時(shí)的壓差，此時(shí)，輸入與輸出之間的壓差是負(fù)載電流與MOSFET導(dǎo)通電阻(典型值為75mΩ)與降壓轉(zhuǎn)換器和電感等效電阻并聯(lián)值的乘積。REF_IN為外部基準(zhǔn)輸入端，與外部DAC連接可以動(dòng)態(tài)控制輸出電壓，VREFIN至VOUT的增益由內(nèi)部設(shè)置為1.76，能夠在30μs內(nèi)響應(yīng)VREFIN的變化，建立穩(wěn)定的輸出。圖2中，輸入電容須選用低等效串聯(lián)電阻的電容，以降低高頻輸入紋波，普通的鋁電解電容具有較大的ESR，應(yīng)盡量避免使用此類(lèi)電容。低ESR的鉭電容和聚合物電容比較適合小尺寸設(shè)計(jì)，陶瓷電容的ESR最小，為了減小輸入電源的峰值電流和噪聲，可以在輸入端接2.2～10μF的低ESR電容。RC、CC、Cf為補(bǔ)償元件，如果輸出電容具有較低的ESR，也可以不使用Cf。電容CC用于積分互阻放大器的電流，對(duì)輸出電容紋波取平均，設(shè)置器件的瞬態(tài)響應(yīng)速度。由于經(jīng)過(guò)一定相移的電容紋波不會(huì)干擾電流調(diào)節(jié)環(huán)路，該電路允許選用小尺寸的陶瓷輸出電容。補(bǔ)償電阻RC設(shè)置輸出電壓誤差的比例增益，增大阻值可以提高控制環(huán)路對(duì)輸出紋波的靈敏度。按照?qǐng)D中推薦的元件參數(shù)，可以在整個(gè)輸出電壓和負(fù)載電流變化范圍內(nèi)提供適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?，保證電路穩(wěn)定工作。MAX8506的外部電感需滿(mǎn)足以下要求：電感量為4～6μH，直流電阻低于400mΩ，飽和電流高于最大功放功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流與1/2電感峰值電流之和。

　　MAX8506的輸出作為MAX2291主Vcc電源的電路連接如圖3所示。利用WCDMA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)調(diào)節(jié)功率放大器的Vcc和RF輸入功率達(dá)到所要求的輸出功率和所希望的ACPR：-38dBc。然后記錄消耗電流，計(jì)算效率。

　　測(cè)試設(shè)備采用Agilent E4433B信號(hào)發(fā)生器、Agilent E4406A測(cè)試儀、電源、RF耦合器、20dB衰減頭和RF功率計(jì)。

　　E4433B選擇3GPP調(diào)制、上行鏈路、DPCCH+1 DPDCH，Agilent E4406A用于測(cè)量ACPR。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示，MAX2291輸出功率為+27dBm時(shí)，由于MAX8506處于旁路狀態(tài)，輸入電源直接與輸出連接，沒(méi)有經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，此時(shí)，在兩種情況下MAX2291的功效均為34.6%。輸出功率為+24dBm時(shí)，如果采用固定的+3.5V供電，功效為+25.7%；如果利用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器供電，功效可提高至30.5%。輸出功率只有+16dBm時(shí)，功效從8.3%提高到18.9%，并保持-38dBc的ACPR。輸出功率為+10dBm時(shí)，PAE從2.8%提高到8.3%。