利用 SuPA（LM32XX）給手持設(shè)備射頻功率放大器供電

1、簡介

當(dāng)前越來越多的手持設(shè)備要求滿足盡可能長的工作時(shí)間，常用的方式是：一方面，優(yōu)化系統(tǒng)軟件，將不用的軟件關(guān)掉以節(jié)省更多的電能，用來延長電池的工作時(shí)間，這在優(yōu)化應(yīng)用處理器的功率消耗非常有效;另一方面，優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用低功耗、高效率的電源管理單元，這在優(yōu)化射頻單元和應(yīng)用處理器單元的功率消耗非常有效，SuPA 是專業(yè)用于射頻單元里驅(qū)動(dòng)功放的電源，除了繼承 DC-DC 的高的工作效率的優(yōu)點(diǎn)以外，它還采取了平均功率跟蹤技術(shù)(APT)用以配合射頻功放工作時(shí)不同功率對電壓的需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓給功放供電，從而滿足高效的工作效率。

2、什么是包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)

簡而言之，就是在功放的工作電壓與輸入的射頻信號之間建立聯(lián)系使之實(shí)時(shí)互相跟隨，從而提高功放的工作效率的技術(shù)，按照理論計(jì)算，相對直接使用電池的供電方式，它可以幫助系統(tǒng)節(jié)省 65%的功耗，SuPA 的新一代產(chǎn)品將會(huì)支持此模式。它的基本原理是：射頻處理單元和基帶處理單元根據(jù)射頻信號、功率等級和功放的自身特性參數(shù)(可以使用功放的查詢表 Look Up Table 或者又被稱為調(diào)理表 Shaping Table)計(jì)算出包絡(luò)信號(Envelop signal)，同時(shí)射頻、基帶單元中的差分 DAC 會(huì)提供一個(gè)模擬參考信號， ET 電源(ETPS)會(huì)將包絡(luò)信號放大，然后送往 PA，于此同時(shí) PA 會(huì)將 RF 信號放大，使得 RF 信號和 PA 的工作電壓跟隨，最后功放將放大后的信號送給雙工器，雙工器會(huì)把帶寬以外的信號衰減掉，同時(shí)將有用的信號凸顯出來。圖 1、圖 2、圖 3 描述這個(gè)過程中的信號調(diào)理過程。

3、什么是平均功率跟蹤技術(shù)(Average Power Track)

這種方式又稱為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方式(Adaptive Supply)，它是根據(jù)功放的預(yù)先輸出功率、結(jié)合功放的自身參數(shù)(可以使用功放的參數(shù)查詢表 Look-Up-Table)來自動(dòng)調(diào)整功放的工作電壓的技術(shù)，按照理論計(jì)算，相對于電池直接供電模式，它可以幫助系統(tǒng)節(jié)省 40%的電能。相對 ET 方式，APT 使用和設(shè)計(jì)起來更加簡單和方便，

SuPA 當(dāng)前產(chǎn)品主要支持這種模式。

4、射頻功放的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增加，目前已經(jīng)由 2G 向 3G 和 4G 轉(zhuǎn)移，所以要求功放承擔(dān)更多的任務(wù)，因此要求功放具有更多工作模式和頻率帶寬滿足不同地區(qū)的制式，同時(shí)還要滿足更高的工作效率從而保持電池的長時(shí)間續(xù)航能力，因此為了滿足這種要求，使用 ET 模式或者 APT 模式的射頻電源就逐步成為趨勢，以下圖圖示為例，它的射頻電源單元可以支持 4 種帶寬的 GSM/EDGE 模式。

5、SuPA 在射頻單元中的位置

SuPA 是位于系統(tǒng)中的 RF 單元中給功放供電的位置，它在電池和功放之間，將電池電壓根據(jù)基帶單元和射頻單元提供的功率信號以及配合功放的自身特性信號轉(zhuǎn)換成功放的可以處于最優(yōu)工作模式的工作電壓，驅(qū)動(dòng)功放工作在高效模式，達(dá)到節(jié)省電能的目的。

6、APT 模式的 SuPA 工作機(jī)理

1. UCC27201 datasheet, Texas Instruments Inc., 2008

2. LM5035 datasheet, Texas Instruments Inc., 2013

SuPA 電源變換器與傳統(tǒng)的同步整流降壓型直流變換器的內(nèi)部拓?fù)涫且恢碌?，沒有很大的不同，但是它的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)和主動(dòng)負(fù)載電流輔助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做過優(yōu)化的，因此它可以滿足當(dāng)負(fù)載電壓和電流發(fā)生變化時(shí)可以快速響應(yīng)，主動(dòng)電流輔助旁路功能可以滿足當(dāng)入口電壓瞬間下降或者負(fù)載電流瞬間增加時(shí)，可以將變換器迅速切換成類似負(fù)載開關(guān)模式，這樣做有兩個(gè)好處：第一，可以將電池能量快速提供給負(fù)載，滿足負(fù)載需求;第二，可以使用小尺寸、小電流電感，當(dāng)負(fù)載電流超過電感的電流極限時(shí)，那么 ACB 功能開關(guān) V3 就會(huì)進(jìn)入工作模式，將額外的負(fù)載電流承擔(dān)過來提供給負(fù)載，無需再經(jīng)過電感，所以可以使用小尺寸的電感，滿足超緊湊設(shè)計(jì)要求，這在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中是非常重要的。它的工作過程是：首先當(dāng)開關(guān)管 V2 導(dǎo)通時(shí)，V1 是斷開的，入口電源會(huì)給電感充電，此時(shí)電感兩端的電動(dòng)勢是左邊為“正”，右邊為“負(fù)”，當(dāng)電感充電完成后，V2 會(huì)斷開，V1 會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)電感上的兩端電壓會(huì)反向，變?yōu)樽筮厼椤柏?fù)”，右邊為“正”，于是電感中儲(chǔ)存的能量會(huì)經(jīng)過負(fù)載、V1 然后回流到電感的負(fù)極，此時(shí)的電感更像是一顆電池給負(fù)載供電。電感的充電和放電過程會(huì)周而復(fù)始的進(jìn)行，于是就會(huì)源源不斷的向負(fù)載提供連續(xù)的電流，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：Vo=D*Vin，其中 D 是占空比，即 V2 導(dǎo)通的時(shí)間在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所占的比例。VCON 是用來接收來自射頻處理芯片組或者基帶芯片組的控制信號，這個(gè)信號會(huì)送進(jìn) SuPA 直流變換器控制單元，將輸出電壓和 VCON 電壓信號按照 A 倍的系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，于是輸出電壓和 VCON 信號就會(huì)按照 A 倍的比率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即：Vo=A*VCON;當(dāng)入口電壓跌落或者負(fù)載電流意外增加時(shí)，造成變換器瞬間過流，于是就會(huì)開啟主動(dòng)電流輔助旁路功能(ACB)模式，V3 會(huì)將電池電壓或者入口電源的電壓調(diào)整后再接入系統(tǒng)，滿足瞬間大負(fù)載電流需求，但是當(dāng)入口電壓進(jìn)一步跌到與輸出電壓一致或者壓差在 200mV 以內(nèi)時(shí)，V3 就會(huì)立刻完全導(dǎo)通，進(jìn)入真正的旁路模式，這是 SuPA 的獨(dú)到的控制模式，比如 2G 的 PA 瞬態(tài)電流往往會(huì)超過 2A，于是旁路功能就會(huì)顯得非常重要;在 3G 或者 4G 時(shí)，電流需求量不會(huì)很大，于是 SuPA就工作在單一的 DC-DC 轉(zhuǎn)換模式，滿足高效率要求。