多模3G手機(jī)前端電路設(shè)計(jì)方案

RF6280 DC-DC轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)電壓模式控制器，可以把Vset電壓提高到2.5倍[Vout=2.5(Vset)]。利用直流直流轉(zhuǎn)換器對(duì)每個(gè)功率級(jí)上的PA集電極電壓進(jìn)行優(yōu)化，電池耗電量的減小差不多等于Vout/Vin之比。對(duì)直流直流轉(zhuǎn)換器使用公式Pout=?Pin，這里？代表效率，可以推導(dǎo)出電池電流(Ibat)的公式Ibat=(Vout/?Vin)Iload，這里Iload代表負(fù)載電流。該式顯示電池電流是Vout/Vin之比，假設(shè)轉(zhuǎn)換器效率為100%，且所有工作電壓級(jí)上負(fù)載恒定。

圖6顯示了如何利用功率管理來降低電池的耗電量。圖中所示為當(dāng)PA集電極電壓在每一個(gè)功率級(jí)上被最優(yōu)化調(diào)節(jié)時(shí)測(cè)得的電池耗電量。此數(shù)據(jù)表明，相比沒有集電極電壓調(diào)節(jié)的PA，在0dBm時(shí)，電池耗電量可以降低約79%。降低電池耗電量的另一種方法是采用模擬偏置控制技術(shù)。RF6285和RF6281 PA都設(shè)計(jì)有偏置電路，可以對(duì)控制電壓(Vctrl)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，在較低的功率級(jí)上，PA可以更低偏置。相比無基極偏置調(diào)節(jié)的PA，通過調(diào)節(jié)Vctrl，電池耗電量可以降低48%左右。圖6中的“基極偏置調(diào)節(jié)”曲線顯示了只改變PA基極偏置的結(jié)果。要進(jìn)一步降低電池耗電量，在較低的功率級(jí)上，PA基極偏置和集電極電壓都要減小。如圖6所示的“基極偏置調(diào)節(jié)＋DC-DC”曲線，最終對(duì)電池電流的影響是減少約88%的電流。利用這種控制電壓組合，在0dBm以下的放大器輸出功率級(jí)上，PMIC和PA所消耗的總電池電流小于7mA。

相比HSDPA調(diào)制信號(hào)，語音調(diào)制信號(hào)的峰均功率比要更小。由于手機(jī)必須工作在兩種模式下，故PA偏置須足夠高到維持充分的線性度，以達(dá)到系統(tǒng)相鄰信道泄漏比(ACLR)要求。一旦PA偏置電壓的設(shè)置符合HSDPA要求，在語音工作模式下，這些相同的電壓級(jí)可提供額外的ACLR余裕(ACLR margin)。由于這種額外的ACLR余裕并非必需，故可能會(huì)犧牲ACLR性能以節(jié)省更多的電池耗電量。圖7中，在語音工作模式下，通過減小HSDPA工作模式中所設(shè)置的控制電壓，在最高功率級(jí)上可節(jié)省30mA的耗電量。這種靈活性讓設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)工作模式對(duì)線性度余裕、斜率和功率進(jìn)行權(quán)衡取舍。

手機(jī)的散熱仍然是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個(gè)問題。功率放大器(PA)是主要產(chǎn)熱器件。直流直流轉(zhuǎn)換器的使用將讓PA集電極電壓工作在最小規(guī)定電壓和最大輸出功率(與電池電壓無關(guān))下。下面以工作在最大輸出功率下的RF6285為例來說明如何利用直流直流轉(zhuǎn)換器降低功耗。

輸出功率為+27-dBm時(shí)，RF6285的典型耗電量是450mA。如式Pdiss=Pin-Pout所示，功耗是輸入功率和輸出功率的函數(shù)，因?yàn)镻out恒定為+27dBm(0.5W)，故這時(shí)由Pin決定PA的功耗是多少。在滿充電電池供電且無功率管理的條件下使用PA時(shí)，Pin的值為：Pin=4.5VX0.45A=2.03W，此時(shí)功耗為1.53W。在采用了功率管理的情況下，PA集電極被設(shè)置為3.1V，故Pin=3.1VX0.45A=1.39W，而功耗只有0.89W。這種電壓的減小可減少約42%的PA功耗，這意味著PA芯片溫度將降低42°C。

對(duì)運(yùn)營商和手機(jī)制造商來說，手機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)性能表現(xiàn)至關(guān)重要。EVM和ACLR系統(tǒng)要求，以及總輻射功率(TRP)和特定吸收率(SAR)限制，都需要失配負(fù)載條件下的穩(wěn)健性能。此外，后期校準(zhǔn)手機(jī)在效率和功率精度上可能會(huì)受到不良影響。PA負(fù)載靈敏度對(duì)發(fā)射鏈路的總體性能十分重要。RF6281、RF6285、RF6241、RF6242和RF6245 PA中采用了一種正交架構(gòu)來減小PA負(fù)載靈敏度。這些器件采用帶有超前/滯后分離器和合成器網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)路徑放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在使用中，無線網(wǎng)絡(luò)可以創(chuàng)建彼此相位差為90度的放大器路徑，這需要PA穩(wěn)健工作。

圖8顯示了超前/滯后合成器網(wǎng)絡(luò)輸出失配時(shí)發(fā)生的情況。這一仿真中，在Port1合成器輸出上有5.0:1 VSWR的失配。使用5.0:1 VSWR的原因在于這是手機(jī)環(huán)境中可能發(fā)生的最壞失配情況。Ports2和4受到的影響是阻抗轉(zhuǎn)換，亦即每個(gè)PA輸出2.0:1 VSWR。前端組件插損可對(duì)天線失配起一定隔離作用。典型前端組件插損至少3dB，這限定了超前/滯后合成器輸出的最壞情況VSWR是3.0:1，而非5.0:1。

圖9所示為測(cè)得的RF6285的ACLR性能與VSWR的關(guān)系，從中可看出PA正交架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。作為參考，在3.0:1的最壞情況VSWR下，ACLR下降不到2dB，而單端PA時(shí)為10dB。對(duì)于3.0:1的最壞情況VSWR，RF6285的功率下降只有2.5dB，相同情況下單端PA則為3.5dB(圖10)。圖11顯示了RF6285的峰值集電極電流與VSWR的關(guān)系。在2.0:1最壞情況VSWR下，RF6285的峰值集電極電流只增加了3%，而相同條件下單端PA的增加了20%之多。

3G手機(jī)的設(shè)計(jì)人員面臨著大量挑戰(zhàn)，究竟應(yīng)該優(yōu)先解決那些問題，需根據(jù)最終應(yīng)用來決定。像RD6280模塊這樣的解決方案可為多頻帶應(yīng)用帶來靈活性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在所有功率級(jí)和工作模式下都能保持最佳性能。相反地，RF6241、RF6242和RF6245等高度集成的解決方案可減少元件數(shù)目求。上述兩類解決方案都能夠滿足改進(jìn)回退功率級(jí)下耗電量的要求，而RD6280包含有PA PMIC，可提供更多的性能優(yōu)化。