基于輸出功率概率分布優(yōu)化3G手機(jī)功率放大器設(shè)計(jì)

本文探討了一種全新的功率放大器設(shè)計(jì)概念：其功率放大器的驅(qū)動(dòng)電路在一般情況下都以中低等輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時(shí)才啟動(dòng)功耗較高的功率放大器電路。通過(guò)了解手機(jī)在實(shí)際使用情況下的輸出功率概率分布，能在有限的電池容量下有效地延長(zhǎng)通話時(shí)間，該技術(shù)不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。

目前全球3G手機(jī)的普及率正呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)，同時(shí)新推出的手機(jī)也整合了越來(lái)越多的功能。如今的手機(jī)已經(jīng)具備了多媒體功能：包括視頻攝像、百萬(wàn)像素?cái)z像模塊、自動(dòng)對(duì)焦、相機(jī)閃光燈和用于照明的白色LED、MP3、MP4及JAVA游戲等。為了提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，有很多手機(jī)都采用雙模GSM/GPRS+CDMA、GSM/GPRS+WCDMA或整合嵌入式無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)聯(lián)機(jī)功能的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)如此豐富、強(qiáng)大的功能，面臨的最大問(wèn)題就是手機(jī)電池的功耗和通話時(shí)間，如何節(jié)省電池功耗已經(jīng)成為手機(jī)設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的最迫切問(wèn)題之一。

圖1：CDMA系統(tǒng)中手機(jī)輸出功率的使用概率分布。

為手機(jī)傳輸信號(hào)的功率放大器(PA)一直是手機(jī)中耗電量最大的元器件，因此有效地降低功率放大器的平均消耗電流將能大幅度延長(zhǎng)手機(jī)的通話時(shí)間。在本文中，我們將探討一種全新的功率放大器設(shè)計(jì)概念，其功率放大器的驅(qū)動(dòng)電路在一般情況下都以中低等輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時(shí)才啟動(dòng)功耗較高的功率放大器電路。這種技術(shù)不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且操作非常簡(jiǎn)單。了解手機(jī)在實(shí)際使用情況下的輸出功率概率分布，是在有限的電池容量下有效地延長(zhǎng)通話時(shí)間的重要基礎(chǔ)。

手機(jī)功率放大器的關(guān)鍵規(guī)格

線性度：功率放大器的線性度將直接影響到手機(jī)的性能，例如CDMA2000系統(tǒng)中的相鄰頻道功率比(ACPR)和WCDMA系統(tǒng)中的相鄰頻道泄漏比(ACLR)。為避免與其它頻道或系統(tǒng)間的相互干擾，不管在何種情況下，也不能為達(dá)到這些規(guī)格的要求而妥協(xié)。

功率加效率：功率加效率(PAE)是通過(guò)放大器取得輸出的射頻功率和輸入的直流功率的百分比：

傳統(tǒng)的3G功率放大器設(shè)計(jì)都把焦點(diǎn)放在如何在高功率模式下取得較高的PAE。例如，使用E-pHEMT(增強(qiáng)模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管)的傳統(tǒng)CDMA功率放大器在+28dBm輸出功率時(shí)可以達(dá)到40%的PAE，但在中、低功率輸出時(shí)的PAE卻會(huì)降得很低。

圖2：傳統(tǒng)和最佳化功率放大器的特性比較。

當(dāng)采用旁路高功率級(jí)3G功率放大器的設(shè)計(jì)概念，而不是試圖將高功率模式的效率最佳化時(shí)，我們將可專(zhuān)注于如何在提高實(shí)際工作情況下包含高、中、低等功率模式的整體通話時(shí)間。如果能有效地選擇驅(qū)動(dòng)電路的增益、功率輸出能力和線性度以及輸出級(jí)電路，包括通話時(shí)間在內(nèi)的整體性能都可以得到大幅度地改善。

增益控制：在CDMA或WCDMA功率放大器上常見(jiàn)的偏壓控制基本上可以分為兩種，即模擬偏壓控制和數(shù)字偏壓控制。模擬偏壓控制較為復(fù)雜，部分原因是由于需要基帶芯片組提供穩(wěn)定、可變的模擬電壓，與提供較寬松的“on”或“off”數(shù)字控制電壓相比來(lái)說(shuō)要困難許多。此外，改變模擬控制電壓經(jīng)常會(huì)影響到放大器的增益平穩(wěn)度，使手機(jī)輸出功率的調(diào)整更加困難，因此最新的3G功率放大器設(shè)計(jì)一般都會(huì)采用數(shù)字控制。

功率放大器如何延長(zhǎng)通話時(shí)間

在大部分的情況下，提升功率放大器的高功率模式PAE通常只能微幅改善通話時(shí)間。從圖1所顯示的實(shí)際CDMA系統(tǒng)中，可根據(jù)手機(jī)輸出功率概率分布函數(shù)的計(jì)算結(jié)果來(lái)證明這項(xiàng)假設(shè)。

圖3：旁路高功率級(jí)的電路概念，可采用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)或使用安華高科技CoolPAM放大器的可變阻抗并聯(lián)傳輸線。

如圖1所示，不管手機(jī)是在市區(qū)還是郊區(qū)使用，它的功率輸出大部分集中在-10dBm至+10dBm(中/低功率范圍)的范圍內(nèi)，只有在少數(shù)距離基地臺(tái)較遠(yuǎn)的郊區(qū)才有可能長(zhǎng)時(shí)間使用高輸出功率模式。如果只專(zhuān)注于改善高功率模式的PAE，其實(shí)并不能大幅度延長(zhǎng)通話時(shí)間，所以我們應(yīng)該將重點(diǎn)放在提高中、低功率的PAE上。圖1中同時(shí)也顯示了幾種不同的功率放大器模塊(PAM)在低、中和高功率模式下工作時(shí)的相對(duì)電流消耗。與智能PAM或模擬PAM相比，圖1中的傳統(tǒng)PAM在中、低功率范圍時(shí)耗電量最高。因?yàn)槠湓鲆鎺缀踉谒泄β瘦敵龇秶季S持固定，而智能PAM因?yàn)椴捎脭?shù)字偏壓調(diào)變，在中、低功率模式下不但可以微幅降低增益，還可以微幅改善電流消耗。模擬控制PAM則在增益控制上使用可變的模擬偏壓，雖然可以微幅改善通話時(shí)間，但是卻會(huì)造成大幅度的增益變動(dòng)。另一方面，不管是第一代或第二代的CoolPAM技術(shù)，都采用獨(dú)特的數(shù)字偏壓切換和適當(dāng)增益控制的組合，可使CoolPAM放大器在中、低功率模式下大幅度降低電流消耗，同時(shí)降低待機(jī)時(shí)的耗電量。

平均電流和通話時(shí)間的關(guān)系：

平均電流 = ∫ (PDF ( 電流) dp

通話時(shí)間正比于平均電流的倒數(shù)。(注：PDF為概率分布函數(shù)，如圖1。)

功率放大器平均電流是每種可能輸出功率模式的電流乘以在-50dBm到+28dBm輸出功率范圍內(nèi)的相對(duì)應(yīng)使用概率的積分，那么通話時(shí)間就與這個(gè)平均電流的倒數(shù)成正比。

根據(jù)這個(gè)關(guān)系，平均電流實(shí)際上是受到系統(tǒng)中功率輸出概率分布的影響，所以按照該原則所得到的3G功率放大器設(shè)計(jì)可以用來(lái)改善中、低功率的PAE，并降低中、低功率的電流消耗。

最佳3G PAM的設(shè)計(jì)概念

從圖2中可以看出，傳統(tǒng)的功率放大器通常以固定增益形式設(shè)計(jì)，在+28dBm輸出功率的高功率模式下一般可以實(shí)現(xiàn)40%的PAE，但在+16dBm輸出功率時(shí)卻只能實(shí)現(xiàn)8%到10%，而且當(dāng)輸出功率增加時(shí)，大部分功率放大器設(shè)計(jì)中的線性度和ACPR特性就會(huì)變得更差。特別是當(dāng)功率放大器接近飽和時(shí)，ACPR值也將大幅度提高，但對(duì)中、低功率模式來(lái)說(shuō)，要符合ACPR規(guī)格并不困難。

圖4：不同功率放大器在市區(qū)和郊區(qū)的平均耗電量比較。

最佳化的3G PAM設(shè)計(jì)概念通常會(huì)為高、中、低輸出功率設(shè)計(jì)兩種不同的增益。當(dāng)手機(jī)需要在高功率模式下工作時(shí)，可將功率放大器設(shè)定為高增益模式，但在需要低輸出功率的情況下，也可支持低增益模式。通過(guò)改變功率放大器的增益，可大幅度降低中、低輸出功率工作時(shí)的電流消耗。它可以提供大約20%的中等功率PAE，而傳統(tǒng)的僅能達(dá)到8-10%。雖然低功率低增益模式會(huì)對(duì)ACPR值的產(chǎn)生一定影響，但還是能夠提供足夠的余量來(lái)滿足ACPR的限制要求。

最佳功率放大器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

這種級(jí)旁路功率放大電路(stage-bypass PA)的應(yīng)用其實(shí)非常簡(jiǎn)單。如圖3中所示，當(dāng)手機(jī)需要高輸出功率時(shí)，第二級(jí)電路的并聯(lián)開(kāi)關(guān)就會(huì)打開(kāi)，發(fā)送信號(hào)便可通過(guò)兩個(gè)串接的功率級(jí)電路放大，達(dá)到+28dBm的輸出功率。而當(dāng)手機(jī)只需中、低功率輸出時(shí)，該開(kāi)關(guān)可以自動(dòng)關(guān)閉，通過(guò)旁路第二級(jí)電路并關(guān)閉偏壓。因此在設(shè)計(jì)上主要的要求是第一級(jí)電路必須能提供中、低功率工作時(shí)所需的線性度和輸出功率容量。

實(shí)現(xiàn)此旁路功能的最簡(jiǎn)單方法就是使用晶體管作為開(kāi)關(guān)，但缺點(diǎn)則是該晶體管也需要電流來(lái)工作，這種額外的電流消耗將會(huì)增加放大器的整體耗電量，因此CoolPAM功率大器是通過(guò)變更并聯(lián)傳輸線的阻抗實(shí)現(xiàn)切換功能。

平均電流的比較

如圖4所示，與傳統(tǒng)功率放大器相比，最佳化的功率放大器不管是在市區(qū)或郊區(qū)，都擁有較低的平均耗電。

平均電流是將每個(gè)輸出功率乘以概率分布函數(shù)的總和加起來(lái)計(jì)算。對(duì)于在市區(qū)工作的傳統(tǒng)功率放大器來(lái)說(shuō)，典型平均電流約為118mA，在郊區(qū)時(shí)則為136mA。兩種情況相比，采用旁路高功率級(jí)電路的3G功率放大器可實(shí)現(xiàn)大約36mA或更低的平均電流。如果采用一個(gè)850mA/H的電池，而且基帶芯片組的平均電流消耗為200mA，那么傳統(tǒng)的功率放大器在市區(qū)的通話時(shí)間為160分鐘，在郊區(qū)則為152分鐘。具有消除額外功率消耗的旁路切換晶體管的CoolPAM功率放大器，如果在相同的條件下，在市區(qū)的通話時(shí)間可以達(dá)到224分鐘，比傳統(tǒng)功率放大器還要高出64分鐘。