降低WCDMA手機(jī)RF功率的方法

擴(kuò)頻無線通訊標(biāo)準(zhǔn)IS-95/3GPP對線性度和相鄰?fù)ǖ拦β时?ACPR)做出了嚴(yán)格規(guī)定。為滿足要求，寬頻碼分多址(W-CDMA)無線手機(jī)中要求采用高線性度的A類或A-B類RF功率放大器。不過，在輸出功率為+28dBm時，這種類型功率放大器的功率附加效率(PAE)最大只有35%左右；如果輸出功率降低，則PAE值更低。

　　在通話模式下功率放大器不會持續(xù)工作。當(dāng)手機(jī)用戶不說話時，功率放大器就會以半速率(50%工作時間)或1/8速率工作，所以在通話模式時無需擔(dān)心手機(jī)發(fā)熱。但是在數(shù)據(jù)模式下，功率放大器會一直工作直到數(shù)據(jù)傳輸完畢。功率放大器的低效率及連續(xù)作業(yè)很快就會耗盡電池電量，而隨之產(chǎn)生的內(nèi)部功耗還會使手機(jī)過熱。

　　對支援高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的早期W-CDMA手機(jī)而言，功耗是一個主要難題。它迫使設(shè)計(jì)人員使用更大的散熱片、更強(qiáng)的冷卻氣流以及更大容量的電池。幸運(yùn)的是，在過去幾年中，隨著CDMA和W-CDMA手機(jī)用功率放大器在功效方面取得顯著進(jìn)步，上述問題已經(jīng)得到了緩解。

　　在CDMA和W-CDMA系統(tǒng)，功率放大器的RF功率輸出并非總是最大。為最佳化蜂巢式容量(基地臺能同時處理的傳輸通道數(shù)量)，每支手機(jī)都要控制各自的RF輸出功率，以便基地臺接收到的有效訊號噪音比程度對每只手機(jī)而言都是相同的。

　　從特定區(qū)域內(nèi)許多手機(jī)的RF輸出功率程度概率分布可知，一部標(biāo)準(zhǔn)的CDMA或W-CDMA手機(jī)的平均輸出功率為：郊區(qū)+10dBm左右；市內(nèi)+5dBm左右。所以，提高功率放大器效率的一個有效目標(biāo)并不是最大功率程度，而是在+5dBm到+10dBm之間尋找一個合適的范圍。

　　CDMA和W-CDMA功率放大器需要兩個供電電壓(見圖)。VREF為內(nèi)部驅(qū)動器階和功率放大器階提供偏置，而VCC則用來偏置驅(qū)動器和功率放大器的集電極。透過調(diào)整這兩個電壓，設(shè)計(jì)人員能夠降低功率放大器的供電電流。

　　當(dāng)RF發(fā)射功率為零時，功率放大器會自動將靜態(tài)電流拉到100mA(典型值)，而此時VREF和VCC分別為3V和3.4V。將VREF從3V 降到2.9V能使靜態(tài)電流降低大約20mA。

　F1：CDMA/W-CDMA手機(jī)功率放大器設(shè)計(jì)中需要兩個

　　供電電壓：Vref和Vcc。可透過調(diào)整這兩個電壓

　　減小功率放大器的工作電流。

　　所以，設(shè)計(jì)人員透過降低VREF可以在很大程度上減少功率放大器的靜態(tài)電流，但是要保證功率放大器的線性度和ACPR不低于規(guī)范要求。

　　降低VREF和VCC

　　如果我們掌握了經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，能夠根據(jù)功率放大器的不同輸出功率程度提供所需最小的VREF電壓，那么就能主動地把VREF控制與放大器的功率控制過程結(jié)合起來。如果這種方法難度太高，我們可以簡單地對VREF進(jìn)行兩階調(diào)控，分別對應(yīng)于低功率模式(小于10dBm)和高功率模式(大于10dBm)。

　　為了透過基頻控制D/A轉(zhuǎn)換器對VREF進(jìn)行調(diào)整，我們選用了一個具有大輸出電流能力和外部增益調(diào)節(jié)的低功率運(yùn)算放大器。

　　在典型的無線手機(jī)中，功率放大器的VCC直接取自單單元鋰離子電池，因此VCC的工作范圍在3.2V到4.2V之間。如上所述，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明 CDMA和W-CDMA的功率放大器多數(shù)時間工作在+5到+10dBm的功率程度。

　　在這樣的程度下，設(shè)計(jì)人員可以在不損失功率放大器線性度的情況下顯著降低VCC，同時減少因集電極偏置過大產(chǎn)生的功耗。

　　在低功率程度的實(shí)驗(yàn)測試表明，在集電極偏置持續(xù)低于0.6V的情況下，我們?nèi)阅鼙３峙c基地臺間的正常通訊。

　　透過一個特殊設(shè)計(jì)的高效dc/dc降壓轉(zhuǎn)換器可以為功率放大器集電極提供可變的偏置電壓。

　　我們可以利用基頻處理器的一個專門數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器輸出來調(diào)整該降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

　　控制功率放大器集電極電壓的dc/dc轉(zhuǎn)換器必須能對控制訊號做出快速響應(yīng)。通常，在來自基頻處理器的模擬控制電平變化后的30微秒內(nèi)，dc /dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓應(yīng)該穩(wěn)定在新設(shè)定電壓值的90%以內(nèi)。

　　該轉(zhuǎn)換器晶片在其VCC控制輸入和對功率放大器集電極實(shí)施偏置的輸出電壓之間提供適當(dāng)?shù)膬?nèi)部增益。它還在高頻率進(jìn)行開關(guān)動作以減小電感的大小。

　　在功率放大器和電池之間連接dc/dc轉(zhuǎn)換器會使一個問題變得突出，即在低電池電壓下需要高RF功率。為了提供+28dBm的RF功率同時維持功率放大器的線性度指標(biāo)，制造商們推薦最小的VCC是3.4V。為了在3.4V電壓下保持35%的PAE，我們還需要高達(dá)530mA的功率放大器集電極電流。

　　+28dBm的RF功率：102.8 mW = 631mW

　　所需的功率放大器功率(VCC ICC)：631mW/(PAE/100)?1,803mW。

　　在VCC=3.4V時，所需的功率放大器電流(ICC)：ICC = 1,803mW/3.4V = 530mA。

　　為了支援3.4V的VCC和530mA的ICC，充當(dāng)功率放大器電源的dc/dc轉(zhuǎn)換器要求有一定的輸入－輸出余量。

　　例如，如果該轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部P溝道MOSFET(PFET)的導(dǎo)通阻抗是0.4Ω，而電感阻抗是0.1Ω，那么在這兩個元件上的串聯(lián)壓降為 (0.4Ω+0.1Ω) 530mA = 265mV。所以，當(dāng)電池電壓低于3.665V時，該dc/dc轉(zhuǎn)換器就無法支援3.4V的輸出。

　　在電池電壓低于3.665V的情況下，最好是將功率放大器集電極與電池短接。否則，就無法充分利用鋰離子電池的電量。

　　通常的解決方案是透過并聯(lián)一個低Rds的PFET，來旁路電感和內(nèi)部PFET。這個旁路FRET(可內(nèi)建或外接)在高功率模式下，將電池電壓直接連到功率放大器的集電極。為了同時滿足高RF功率和低電池電壓，必須采用這種旁路方法。

　　最佳化PAE

　　最佳化PAE的最佳做法是連續(xù)調(diào)整功率放大器集電極的偏置電壓。不過，這種方法需要工廠校準(zhǔn)以及復(fù)雜的軟體，以確保在集電極偏置電壓連續(xù)變化的情況下，仍能具有良好的PA線性和ACPR。退而求其次的做法是對集電極偏置電壓做步進(jìn)調(diào)整，通常是兩至四階。

　　例如，在一個四階系統(tǒng)中，包括的VCC值可能有：Vbatt、1.5V、1V和0.6V。該系統(tǒng)的總體效率幾乎可以與對功率放大器集電極偏置進(jìn)行連續(xù)控制的系統(tǒng)相媲美，而且在低或中功率程度，電感只需要提供小于150mA的峰值電流。