- 改善開(kāi)關(guān)型調節器發(fā)送效率
- W-CDMA手機電源優(yōu)化
- 利用偏置控制來(lái)進(jìn)一步增加控制能力
- 內部的PFET超額設計為非常低的0.15Ω導通電阻
例如，典型的2G手機中用于發(fā)送信號的功率放大器(PA)是由電池直接驅動(dòng)的，雖然簡(jiǎn)單但效率不是最優(yōu)的。在3G手機中，高速數據傳送要求更高的帶寬和發(fā)送功率，因此，為保持足夠長(cháng)的電池工作時(shí)間，就必須采用更高效率的方案?，F在，有一種方案正在逐漸受到蜂窩電話(huà)制造商們廣泛的喜愛(ài)，那就是采用一種高度專(zhuān)門(mén)化設計的降壓型DC-DC開(kāi)關(guān)調節器來(lái)驅動(dòng)PA。
開(kāi)關(guān)型調節器改善發(fā)送效率的基本原理是，通過(guò)動(dòng)態(tài)調節功放的供電電壓，使其剛好能夠滿(mǎn)足功放中射頻信號的幅度要求(見(jiàn)圖1)。采用開(kāi)關(guān)調節器高效率地實(shí)現這種調節，在峰值發(fā)送功率以外的任何條件下，都可大幅度地節省電池功率。因為峰值功率只有在遠離基站和數據傳送時(shí)需要，總體來(lái)講，這種方案的省電效果是非常顯著(zhù)的。
如果功放的供電電壓能夠在一個(gè)足夠寬的范圍內高效率地動(dòng)態(tài)調節，就有可能采用固定增益的線(xiàn)性功放，省掉偏置控制(已廣泛應用于目前的2G電話(huà))。當然，仍然可以利用偏置控制來(lái)進(jìn)一步增加控制能力，許多蜂窩電話(huà)制造商正在積極跟蹤這種方案；然而，在W-CDMA技術(shù)領(lǐng)域占主導地位的一家公司堅持認為不需要偏置控制。
圖1.開(kāi)關(guān)調節器(MAX1820)動(dòng)態(tài)調節W-CDMA功率放大器(PA)的電源。通過(guò)對功放電源的高效調節，極大地降低了能量的消耗，延長(cháng)了手機電池的使用時(shí)間。
另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮并關(guān)系到系統性能的問(wèn)題是，對于這種特殊用途的降壓型開(kāi)關(guān)調節器，有一些什么樣的特殊性能要求。為了便于理解，首先應該研究一下功放的負載特性。圖2由一個(gè)主要的蜂窩電話(huà)制造商提供，表示一個(gè)雙極工藝的固定增益W-CDMA功率放大器的負載曲線(xiàn)。在峰值發(fā)送功率時(shí)，功放需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA到600mA的電流。在最低發(fā)送功率時(shí)，也就是當靠近基站并且只發(fā)送話(huà)音時(shí)，功放僅吸取30mA的電流，電源電壓為0.4V到1V。對應的功放消耗功率分別為2040mW(最大值)和12mW(最小值)。[page]
圖2.固定增益的雙極型W-CDMA功率放大器的典型負載曲線(xiàn)中有一個(gè)明顯的阻性成分。電源電壓和電流會(huì )從最低的0.4V/30mA(12mW)變化到最高的3.4V/600mA(2040mW)，話(huà)音的發(fā)送一般在1.5V/150mA(225mW)下進(jìn)行，高速數據的發(fā)送一般在2.5V/400mA(1000mW)下進(jìn)行。
針對作為負載的這種功放對開(kāi)關(guān)調節器進(jìn)行優(yōu)化并非易事。Maxim的MAX1820W-CDMA蜂窩電話(huà)降壓型調節器能夠滿(mǎn)足這種要求。下面列出使MAX1820區別于其它類(lèi)型的開(kāi)關(guān)調節器的特殊性能：
在很寬的負載范圍內具有高效率—沒(méi)有高效率，采用開(kāi)關(guān)型調節器就失去了意義，因此，高效率和省電是MAX1820的主導設計思想(見(jiàn)圖3)。傳送數據時(shí)(約500mW至2040mW)，MAX1820內部的低導通電阻(0.15Ω)PFET功率開(kāi)關(guān)可以提供高達93%的效率。傳送話(huà)音時(shí)(約12mW至500mW)，MAX1820內部的0.2ΩNFET同步整流器和3.3mA的低工作電流(強制PWM模式)使轉換效率達到85%。85%的效率聽(tīng)起來(lái)不算太高，但對于一個(gè)工作在1MHz恒定開(kāi)關(guān)頻率和很輕負載的轉換器來(lái)講確非易事，正如圖3所示，轉換器具有極低的功率損耗。這要歸功于優(yōu)秀的設計和亞微米工藝的采用，這種工藝能夠在給定的FET導通電阻下獲得更低的柵極電容。
輸出電壓的動(dòng)態(tài)調整—輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調整。為此，采用一個(gè)數模轉換器(DAC)驅動(dòng)MAX1820的模擬控制引腳(REF)。由于DAC的輸出電壓范圍達不到3.4V，轉換器從REF到OUT具有1.76倍的電壓增益。
快速(30µsec)輸出壓擺率和建立—在W-CDMA系統架構中，發(fā)送功率需要根據基站的要求，每666µsec向上或向下調節1dB。此外，每隔10ms，手機會(huì )進(jìn)入或退出數據傳送模式，相應地將發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變。各種情況下，發(fā)送功率水平的變化需要在50µsec內完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統延遲，留給開(kāi)關(guān)調節器來(lái)改變功放電源的時(shí)間還要減少。
由于這個(gè)原因，MAX1820被專(zhuān)門(mén)設計為能夠在30µsec內改變并建立輸出電壓，甚至對于滿(mǎn)幅度的電壓和電流變化都沒(méi)有問(wèn)題。由于要求輸出能夠快速改變，MAX1820的輸出電容被限制在僅僅4.7µF，這給工作的穩定性帶來(lái)了挑戰。4.7µF電容所帶來(lái)的額外好處是，允許采用低ESR的陶瓷電容，這將使輸出紋波降低至5mVpp。降壓調節器面臨的另外一個(gè)問(wèn)題出現在需要迅速降低發(fā)送功率的時(shí)候，例如退出數據模式時(shí)。在此情況下，MAX1820能夠反轉電感中的電流，將輸出電壓迅速拉低以便保證30µsec的建立時(shí)間。否則，功放的線(xiàn)性會(huì )隨著(zhù)電源電壓的緩慢下降而改變。另外，這種技術(shù)還將輸出電容中的剩余電能回送到MAX1820輸入端的電池，進(jìn)一步節省了電能。
穩定工作于9.5%至100%PWM占空比和低壓差—假設手機由單節鋰離子電池供電，那么輸入開(kāi)關(guān)調節器的電壓范圍大約為4.2V至2.7V。為了獲得可預知的噪聲頻譜和低輸出紋波，應該盡量采用恒定的開(kāi)關(guān)頻率，MAX1820的強制PWM工作模式在電池完全充電至4.2V且要求功放電源電壓為0.4V時(shí)，可穩定工作于最低至9.5%的占空比。
就其本身來(lái)講這并不困難，但還應考慮到相反的極端情況，當經(jīng)過(guò)一定程度放電的電池工作在大功率數據發(fā)送模式時(shí)，要求占空比能夠完全達到100%，并具有低壓差。為了獲得非常低的壓差，MAX1820內部的PFET被稍稍超額設計為非常低的0.15Ω導通電阻。假設電感具有0.1Ω的串聯(lián)電阻，那么在600mA的負載下總的壓降只有150mV，當負載減輕時(shí)還可同比降低。根據蜂窩電話(huà)制造商的要求，當電池被放電至3.4V以下時(shí)，數據傳送距離有一定程度的降低是可以接受的。突破這種局限需要采用價(jià)格稍貴、效率稍低一點(diǎn)的升/降壓型調節器，這可能需用另外一整個(gè)篇幅進(jìn)行討論。
1MHz開(kāi)關(guān)頻率及同步—MAX1820內部具有一個(gè)1MHz振蕩器來(lái)控制PWM開(kāi)關(guān)頻率。在MAX1820的產(chǎn)品定義階段，提高開(kāi)關(guān)頻率是減小外部元件尺寸的一個(gè)辦法，但效率有可能降低到無(wú)法接受的水平。前面已經(jīng)提到，采用固定頻率PWM方式可以獲得已知的噪聲頻譜和較低的輸出紋波。MAX1820的1MHz內部時(shí)鐘具有較高的精度，可保證±20%的容差，此外，為了更精確地同步至系統時(shí)鐘，MAX1820還包含一個(gè)13分頻時(shí)鐘合成器，可饋入一個(gè)10MHz至16MHz的低幅度正弦波。
圖3.MAX1820降壓型開(kāi)關(guān)調節器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在電池消耗最大的情況下發(fā)送數據時(shí)具有最高的效率。1MHz固定的開(kāi)關(guān)頻率降低了輸出紋波和噪聲，同時(shí)在發(fā)送話(huà)音時(shí)能夠保持相對較高的效率和較低的功耗。
MAX1820因其獨特的性能，目前被廣泛應用于3G手機設計中。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)型降壓調節器在W-CDMA功放驅動(dòng)中節電效果得到驗證，這種方案同樣也可用于其它的3G標準和更多不同的終端設備，使小型化、個(gè)性化的數據手機及無(wú)線(xiàn)移動(dòng)運算的理想成為現實(shí)。
