DC-DC电源驱动PA提高WCDMA手机发送效率
随着第三代移动通信(3G)时代的临近，手机设计师们正忙于开发新的方案，以解决高速数据传输所带来的一系列新问题。其中，最主要的问题集中在软件、屏幕技术、数据处理带宽以及电池寿命等方面。在第二代(2G)只有话音和低速数据功能的手机中，问题还不是如此严峻，允许采用一些简单和廉价的方案进行折衷。例如，典型的2G手机中用于发送信号的功率放大器(PA)是由电池直接驱动的，虽然简单但效率不是最优的。在3G手机中，高速数据传送要求更高的带宽和发送功率，因此，为保持足够长的电池工作时间，就必须采用更高效率的方案。现在，有一种方案正在逐渐受到蜂窝电话制造商们广泛的喜爱，那就是采用一种高度专门化设计的降压型DC-DC开关调节器来驱动PA。
开关型调节器改善发送效率的基本原理是，通过动态调节功放的供电电压，使其刚好能够满足功放中射频信号的幅度要求(见图1)。采用开关调节器高效率地实现这种调节，在峰值发送功率以外的任何工作条件下，都可大幅度地节省电池功率。因为峰值功率只有在手机远离基站和数据传送时需要，总体来讲，这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节，就有可能采用固定增益的线性功放，省掉偏置控制(已广泛应用于目前的2G电话)。当然，仍然可以利用偏置控制来进一步增加控制能力，许多蜂窝电话制造商正在积极跟踪这种方案；然而，在W-CDMA技术领域占主导地位的一家公司坚持认为不需要偏置控制。
另外一个需要重点考虑并关系到系统性能的问题是，对于这种特殊用途的降压型开关调节器，有一些什么样的特殊性能要求。为了便于理解，首先应该研究一下功放的负载特性。图2由一个主要的蜂窝电话制造商提供，表示一个双极工艺的固定增益W-CDMA功率放大器的负载曲线。在峰值发送功率时，功放需要3.4V的供电电压，并消耗掉300mA到600mA的电流。在最低发送功率时，也就是当靠近基站并且只发送话音时，功放仅吸取30mA的电流，电源电压为0.4V到1V。对应的功放消耗功率分别为2040mW (最大值)和12mW (最小值)。
图2. 固定增益的双极型W-CDMA功率放大器的典型负载曲线中有一个明显的阻性成分。电源电压和电流会从最低的0.4V/30mA (12mW)变化到最高的3.4V/600mA (2040mW)，话音的发送一般在1.5V/150mA (225mW)下进行，高速数据的发送一般在2.5V/400mA (1000mW)下进行。
针对作为负载的这种功放对开关调节器进行优化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窝电话降压型调节器能够满足这种要求。下面列出使MAX1820区别于其它类型的开关调节器的特殊性能：
在很宽的负载范围内具有高效率—没有高效率，采用开关型调节器就失去了意义，因此，高效率和省电是MAX1820的主导设计思想(见图3)。传送数据时(约500mW至2040mW)，MAX1820内部的低导通电阻(0.15Ω) PFET功率开关可以提供高达93%的效率。传送话音时(约12mW至500mW)，MAX1820内部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作电流(强制PWM模式)使转换效率达到85%。85%的效率听起来不算太高，但对于一个工作在1MHz恒定开关频率和很轻负载的转换器来讲确非易事，正如图3所示，转换器具有极低的功率损耗。这要归功于优秀的设计和亚微米工艺的采用，这种工艺能够在给定的FET导通电阻下获得更低的栅极电容。
输出电压的动态调整—输出电压需要在3.4V到0.4V间调整。为此，采用一个数模转换器(DAC)驱动MAX1820的模拟控制引脚(REF)。由于DAC的输出电压范围达不到3.4V，转换器从REF到OUT具有1.76倍的电压增益。
快速(30µsec)输出压摆率和建立—在W-CDMA系统架构中，发送功率需要根据基站的要求，每666µsec向上或向下调节1dB。此外，每隔10ms，手机会进入或退出数据传送模式，相应地将发生大幅度的发送功率跳变。各种情况下，发送功率水平的变化需要在50µsec内完成，然而，考虑到基站、DAC及各种系统延迟，留给开关调节器来改变功放电源的时间还要减少。由于这个原因，MAX1820被专门设计为能够在30µsec内改变并建立输出电压，甚至对于满幅度的电压和电流变化都没有问题。由于要求输出能够快速改变，MAX1820的输出电容被限制在仅仅4.7µF，这给工作的稳定性带来了挑战。4.7µF电容所带来的额外好处是，允许采用低ESR的陶瓷电容，这将使输出纹波降低至5mVpp。降压调节器面临的另外一个问题出现在需要迅速降低发送功率的时候，例如退出数据模式时。在此情况下，MAX1820能够反转电感中的电流，将输出电压迅速拉低以便保证30µsec的建立时间。否则，功放的线性会随着电源电压的缓慢下降而改变。另外，这种技术还将输出电容中的剩余电能回送到MAX1820输入端的电池，进一步节省了电能。
稳定工作于9.5%至100% PWM占空比和低压差—假设手机由单节锂离子电池供电，那么输入开关调节器的电压范围大约为4.2V至2.7V。为了获得可预知的噪声频谱和低输出纹波，应该尽量采用恒定的开关频率，MAX1820的强制PWM工作模式在电池完全充电至4.2V且要求功放电源电压为0.4V时，可稳定工作于最低至9.5%的占空比。就其本身来讲这并不困难，但还应考虑到相反的极端情况，当经过一定程度放电的电池工作在大功率数据发送模式时，要求占空比能够完全达到100%，并具有低压差。为了获得非常低的压差，MAX1820内部的PFET被稍稍超额设计为非常低的0.15Ω导通电阻。假设电感具有0.1Ω的串联电阻，那么在600mA的负载下总的压降只有150mV，当负载减轻时还可同比降低。根据蜂窝电话制造商的要求，当电池被放电至3.4V以下时，数据传送距离有一定程度的降低是可以接受的。突破这种局限需要采用价格稍贵、效率稍低一点的升/降压型调节器，这可能需用另外一整个篇幅进行讨论。
1MHz开关频率及同步—MAX1820内部具有一个1MHz振荡器来控制PWM开关频率。在MAX1820的产品定义阶段，提高开关频率是减小外部元件尺寸的一个办法，但效率有可能降低到无法接受的水平。前面已经提到，采用固定频率PWM方式可以获得已知的噪声频谱和较低的输出纹波。MAX1820的1MHz内部时钟具有较高的精度，可保证±20%的容差，此外，为了更精确地同步至系统时钟，MAX1820还包含一个13分频时钟合成器，可馈入一个10MHz至16MHz的低幅度正弦波。
图3. MAX1820降压型开关调节器经过优化，在电池消耗最大的情况下发送数据时具有最高的效率。1MHz固定的开关频率降低了输出纹波和噪声，同时在发送话音时能够保持相对较高的效率和较低的功耗。
MAX1820因其独特的性能，目前被广泛应用于3G手机设计中。随着开关型降压调节器在W-CDMA功放驱动中节电效果得到验证，这种方案同样也可用于其它的3G标准和更多不同的终端设备，使小型化、个性化的数据手机及无线移动运算的理想成为现实。
开关型调节器改善发送效率的基本原理是，通过动态调节功放的供电电压，使其刚好能够满足功放中射频信号的幅度要求(见图1)。采用开关调节器高效率地实现这种调节，在峰值发送功率以外的任何工作条件下，都可大幅度地节省电池功率。因为峰值功率只有在手机远离基站和数据传送时需要，总体来讲，这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节，就有可能采用固定增益的线性功放，省掉偏置控制(已广泛应用于目前的2G电话)。当然，仍然可以利用偏置控制来进一步增加控制能力，许多蜂窝电话制造商正在积极跟踪这种方案；然而，在W-CDMA技术领域占主导地位的一家公司坚持认为不需要偏置控制。
另外一个需要重点考虑并关系到系统性能的问题是，对于这种特殊用途的降压型开关调节器，有一些什么样的特殊性能要求。为了便于理解，首先应该研究一下功放的负载特性。图2由一个主要的蜂窝电话制造商提供，表示一个双极工艺的固定增益W-CDMA功率放大器的负载曲线。在峰值发送功率时，功放需要3.4V的供电电压，并消耗掉300mA到600mA的电流。在最低发送功率时，也就是当靠近基站并且只发送话音时，功放仅吸取30mA的电流，电源电压为0.4V到1V。对应的功放消耗功率分别为2040mW (最大值)和12mW (最小值)。
图2. 固定增益的双极型W-CDMA功率放大器的典型负载曲线中有一个明显的阻性成分。电源电压和电流会从最低的0.4V/30mA (12mW)变化到最高的3.4V/600mA (2040mW)，话音的发送一般在1.5V/150mA (225mW)下进行，高速数据的发送一般在2.5V/400mA (1000mW)下进行。
针对作为负载的这种功放对开关调节器进行优化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窝电话降压型调节器能够满足这种要求。下面列出使MAX1820区别于其它类型的开关调节器的特殊性能：
在很宽的负载范围内具有高效率—没有高效率，采用开关型调节器就失去了意义，因此，高效率和省电是MAX1820的主导设计思想(见图3)。传送数据时(约500mW至2040mW)，MAX1820内部的低导通电阻(0.15Ω) PFET功率开关可以提供高达93%的效率。传送话音时(约12mW至500mW)，MAX1820内部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作电流(强制PWM模式)使转换效率达到85%。85%的效率听起来不算太高，但对于一个工作在1MHz恒定开关频率和很轻负载的转换器来讲确非易事，正如图3所示，转换器具有极低的功率损耗。这要归功于优秀的设计和亚微米工艺的采用，这种工艺能够在给定的FET导通电阻下获得更低的栅极电容。
输出电压的动态调整—输出电压需要在3.4V到0.4V间调整。为此，采用一个数模转换器(DAC)驱动MAX1820的模拟控制引脚(REF)。由于DAC的输出电压范围达不到3.4V，转换器从REF到OUT具有1.76倍的电压增益。
快速(30µsec)输出压摆率和建立—在W-CDMA系统架构中，发送功率需要根据基站的要求，每666µsec向上或向下调节1dB。此外，每隔10ms，手机会进入或退出数据传送模式，相应地将发生大幅度的发送功率跳变。各种情况下，发送功率水平的变化需要在50µsec内完成，然而，考虑到基站、DAC及各种系统延迟，留给开关调节器来改变功放电源的时间还要减少。由于这个原因，MAX1820被专门设计为能够在30µsec内改变并建立输出电压，甚至对于满幅度的电压和电流变化都没有问题。由于要求输出能够快速改变，MAX1820的输出电容被限制在仅仅4.7µF，这给工作的稳定性带来了挑战。4.7µF电容所带来的额外好处是，允许采用低ESR的陶瓷电容，这将使输出纹波降低至5mVpp。降压调节器面临的另外一个问题出现在需要迅速降低发送功率的时候，例如退出数据模式时。在此情况下，MAX1820能够反转电感中的电流，将输出电压迅速拉低以便保证30µsec的建立时间。否则，功放的线性会随着电源电压的缓慢下降而改变。另外，这种技术还将输出电容中的剩余电能回送到MAX1820输入端的电池，进一步节省了电能。
稳定工作于9.5%至100% PWM占空比和低压差—假设手机由单节锂离子电池供电，那么输入开关调节器的电压范围大约为4.2V至2.7V。为了获得可预知的噪声频谱和低输出纹波，应该尽量采用恒定的开关频率，MAX1820的强制PWM工作模式在电池完全充电至4.2V且要求功放电源电压为0.4V时，可稳定工作于最低至9.5%的占空比。就其本身来讲这并不困难，但还应考虑到相反的极端情况，当经过一定程度放电的电池工作在大功率数据发送模式时，要求占空比能够完全达到100%，并具有低压差。为了获得非常低的压差，MAX1820内部的PFET被稍稍超额设计为非常低的0.15Ω导通电阻。假设电感具有0.1Ω的串联电阻，那么在600mA的负载下总的压降只有150mV，当负载减轻时还可同比降低。根据蜂窝电话制造商的要求，当电池被放电至3.4V以下时，数据传送距离有一定程度的降低是可以接受的。突破这种局限需要采用价格稍贵、效率稍低一点的升/降压型调节器，这可能需用另外一整个篇幅进行讨论。
1MHz开关频率及同步—MAX1820内部具有一个1MHz振荡器来控制PWM开关频率。在MAX1820的产品定义阶段，提高开关频率是减小外部元件尺寸的一个办法，但效率有可能降低到无法接受的水平。前面已经提到，采用固定频率PWM方式可以获得已知的噪声频谱和较低的输出纹波。MAX1820的1MHz内部时钟具有较高的精度，可保证±20%的容差，此外，为了更精确地同步至系统时钟，MAX1820还包含一个13分频时钟合成器，可馈入一个10MHz至16MHz的低幅度正弦波。
图3. MAX1820降压型开关调节器经过优化，在电池消耗最大的情况下发送数据时具有最高的效率。1MHz固定的开关频率降低了输出纹波和噪声，同时在发送话音时能够保持相对较高的效率和较低的功耗。
MAX1820因其独特的性能，目前被广泛应用于3G手机设计中。随着开关型降压调节器在W-CDMA功放驱动中节电效果得到验证，这种方案同样也可用于其它的3G标准和更多不同的终端设备，使小型化、个性化的数据手机及无线移动运算的理想成为现实。