W-CDMA收發(fā)器的功率管理解決方案
為爭(zhēng)取更多的用戶(hù),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(wú)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(yǔ)音 (VoIP)、簡(jiǎn)易郵箱 (easy email) 和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等,從而吸引用戶(hù)使用。
在硬件方面,針對(duì)低功率模式工作和城區(qū)通話(huà)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(guò)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(wèn)題在于,RFPA功耗約為1W,會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱能,影響周?chē)M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(yǔ)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(huà)時(shí)間達(dá)到5小時(shí)。
不過(guò),當(dāng)連接的數(shù)據(jù)容量較大,或者用戶(hù)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(lèi)情形下,一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(lái)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(chēng)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(lái)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(xiàn)),采用了DVS 功率管理方案的RFPA (藍(lán)色曲線(xiàn)) 在功率附加效率上的改進(jìn)。圖中可見(jiàn),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(xiàn)) 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(xiàn)) 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(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)噪聲超過(guò)基帶頻率 (> 5MHz)。
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