W-CDMA收發(fā)器的功率管理解決方案

為爭(zhēng)取更多的用戶，全球3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在2008年已加速部署，其中在美國(guó)和歐洲的發(fā)展尤其快速。好幾家運(yùn)營(yíng)商都推出了比較價(jià)廉的無限數(shù)據(jù)計(jì)劃，雖然這些計(jì)劃對(duì)在連接能力上有一定的限制，但卻增加了對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的支持，比如視頻會(huì)議、互聯(lián)網(wǎng)語音 (VoIP)、簡(jiǎn)易郵箱 (easy email) 和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等，從而吸引用戶使用。

在硬件方面，針對(duì)低功率模式工作和城區(qū)通話服務(wù)，手機(jī)設(shè)計(jì)人員已設(shè)法對(duì)射頻收發(fā)器的功耗進(jìn)行優(yōu)化，特別是射頻功放 (RF Power Amplifier, RFPA) 的功耗。運(yùn)營(yíng)商提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在這種情況下，手機(jī)的傳送功率小于1mW。目前使用的RFPA中，大多數(shù)都具有低功率模式，當(dāng)射頻功率低于1mW時(shí)，其耗電量為10mA或更小。此外，它們還經(jīng)過優(yōu)化，可在500mW左右時(shí) (最大射頻工作功率級(jí)) 獲得最佳功率附加效率 (Power Added Efficiency, PAE) (約為33%)。這時(shí)的問題在于，RFPA功耗約為1W，會(huì)產(chǎn)生過多的熱能，影響周圍組件的性能。圖1所示為PAE及功耗的典型變化與射頻工作功率級(jí)的關(guān)系。

圖1：雙模W-CDMA RFPA的附加功率效率 (PAE) 的圖示

據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的功率分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在城市地區(qū)，以語音功能為主手機(jī)有90%到 95%的時(shí)間都在1mW以下的功耗工作，這應(yīng)該使得這些條件下的通話時(shí)間達(dá)到5小時(shí)。

不過，當(dāng)連接的數(shù)據(jù)容量較大，或者用戶位于郊外或低覆蓋區(qū)域時(shí)，3G手機(jī)必須把發(fā)射功率提高到50mW以上，才能獲得良好的信噪比。在這類情形下，一個(gè)沒有經(jīng)過重新優(yōu)化的RFPA會(huì)在2.5小時(shí)或更短時(shí)間之內(nèi)就消耗掉電池的全部能量。

最佳的解決方案是采用一個(gè)由電壓控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)RFPA電源電壓，以便在每一個(gè)射頻功率級(jí)下都獲得盡可能高的功率效率。這項(xiàng)技術(shù)被稱為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) (Dynamic Voltage Scaling, DVS) 技術(shù) (圖2)。

圖2：利用DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)3G 射頻功放動(dòng)態(tài)供電的圖示

圖中文字(上)： VBAT – DVS DCDC – VCC – WCDMA RFPA

(中): VBAT或電池電壓 – VCC 或RFPA 來自DCDC的電壓

(下):已傳送的射頻功率級(jí)

圖3顯示了較之直接由電池供電的RFPA (黑色曲線)，采用了DVS 功率管理方案的RFPA (藍(lán)色曲線) 在功率附加效率上的改進(jìn)。圖中可見，在16 到 24dBm的功率范圍，后者節(jié)省了100mA電池電流；而在0 到 16dBm的功率范圍，則可節(jié)省10mA電池電流。換言之，采用DVS解決方案的以數(shù)據(jù)功能為主的3G手機(jī)可節(jié)省高達(dá)20% 的電池能量，從而相應(yīng)地延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)連接時(shí)間。

圖3：雙模W-CDMA RFPA (黑色曲線) 與采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的

單模RFPA (藍(lán)色曲線) 的功率附加效率比較

圖中文字(左)：采用DVS的DCDC

采用DVS技術(shù)的另一大優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)電池充電至4.2V時(shí)，可把RFPA電壓鉗位在3.4V (注1)，從而使高電池電平下的發(fā)熱量再降低20%。這樣就可以減小散熱器的尺寸，并/或縮短PCB上集成組件的間距。

此外，利用DVS功率管理解決方案，射頻工程師還能夠以單功率模式功放取代復(fù)雜的多功率模式RFPA，提高功率效率，減少產(chǎn)熱，并降低材料清單的成本。

DC-DC 電源器件生產(chǎn)商所面對(duì)的要求是要提供適合于安裝在射頻前端模塊內(nèi)部，并盡量不影響基帶或射頻頻譜的緊湊式解決方案。而真正的挑戰(zhàn)是如何以亞微亨 (sub micro-Henry) 的電感 (3.2 mm2) 取代體積相對(duì)較大的電感 (小于大約10mm2)，使開關(guān)頻率和開關(guān)噪聲超過基帶頻率 (> 5MHz)。