采用DC/DC轉(zhuǎn)換器提高RFPA系統(tǒng)效率

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。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。本文講述一種通過DC/DC轉(zhuǎn)換器提供高效RF PA系統(tǒng)電源管理的方案。

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?，F(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