- 改善開關型調節(jié)器發(fā)送效率
- W-CDMA手機電源優(yōu)化
- 利用偏置控制來進一步增加控制能力
- 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)是由電池直接驅動的,雖然簡單但效率不是最優(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,為保持足夠長的電池工作時間,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制造商們廣泛的喜愛,那就是采用一種高度專門化設計的降壓型DC-DC開關調節(jié)器來驅動PA。
開關型調節(jié)器改善發(fā)送效率的基本原理是,通過動態(tài)調節(jié)功放的供電電壓,使其剛好能夠滿足功放中射頻信號的幅度要求(見圖1)。采用開關調節(jié)器高效率地實現這種調節(jié),在峰值發(fā)送功率以外的任何條件下,都可大幅度地節(jié)省電池功率。因為峰值功率只有在遠離基站和數據傳送時需要,總體來講,這種方案的省電效果是非常顯著的。
如果功放的供電電壓能夠在一個足夠寬的范圍內高效率地動態(tài)調節(jié),就有可能采用固定增益的線性功放,省掉偏置控制(已廣泛應用于目前的2G電話)。當然,仍然可以利用偏置控制來進一步增加控制能力,許多蜂窩電話制造商正在積極跟蹤這種方案;然而,在W-CDMA技術領域占主導地位的一家公司堅持認為不需要偏置控制。
圖1.開關調節(jié)器(MAX1820)動態(tài)調節(jié)W-CDMA功率放大器(PA)的電源。通過對功放電源的高效調節(jié),極大地降低了能量的消耗,延長了手機電池的使用時間。
另外一個需要重點考慮并關系到系統(tǒng)性能的問題是,對于這種特殊用途的降壓型開關調節(jié)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由一個主要的蜂窩電話制造商提供,表示一個雙極工藝的固定增益W-CDMA功率放大器的負載曲線。在峰值發(fā)送功率時,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,也就是當靠近基站并且只發(fā)送話音時,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中有一個明顯的阻性成分。電源電壓和電流會從最低的0.4V/30mA(12mW)變化到最高的3.4V/600mA(2040mW),話音的發(fā)送一般在1.5V/150mA(225mW)下進行,高速數據的發(fā)送一般在2.5V/400mA(1000mW)下進行。
針對作為負載的這種功放對開關調節(jié)器進行優(yōu)化并非易事。Maxim的MAX1820W-CDMA蜂窩電話降壓型調節(jié)器能夠滿足這種要求。下面列出使MAX1820區(qū)別于其它類型的開關調節(jié)器的特殊性能:
在很寬的負載范圍內具有高效率—沒有高效率,采用開關型調節(jié)器就失去了意義,因此,高效率和省電是MAX1820的主導設計思想(見圖3)。傳送數據時(約500mW至2040mW),MAX1820內部的低導通電阻(0.15Ω)PFET功率開關可以提供高達93%的效率。傳送話音時(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%的效率聽起來不算太高,但對于一個工作在1MHz恒定開關頻率和很輕負載的轉換器來講確非易事,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,采用一個數模轉換器(DAC)驅動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(tǒng)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(jié)1dB。此外,每隔10ms,手機會進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(tǒng)延遲,留給開關調節(jié)器來改變功放電源的時間還要減少。
由于這個原因,MAX1820被專門設計為能夠在30µsec內改變并建立輸出電壓,甚至對于滿幅度的電壓和電流變化都沒有問題。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(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。4.7µF電容所帶來的額外好處是,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(jié)器面臨的另外一個問題出現在需要迅速降低發(fā)送功率的時候,例如退出數據模式時。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的建立時間。否則,功放的線性會隨著電源電壓的緩慢下降而改變。另外,這種技術還將輸出電容中的剩余電能回送到MAX1820輸入端的電池,進一步節(jié)省了電能。
穩(wěn)定工作于9.5%至100%PWM占空比和低壓差—假設手機由單節(jié)鋰離子電池供電,那么輸入開關調節(jié)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關頻率,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,可穩(wěn)定工作于最低至9.5%的占空比。
就其本身來講這并不困難,但還應考慮到相反的極端情況,當經過一定程度放電的電池工作在大功率數據發(fā)送模式時,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的串聯電阻,那么在600mA的負載下總的壓降只有150mV,當負載減輕時還可同比降低。根據蜂窩電話制造商的要求,當電池被放電至3.4V以下時,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格稍貴、效率稍低一點的升/降壓型調節(jié)器,這可能需用另外一整個篇幅進行討論。
1MHz開關頻率及同步—MAX1820內部具有一個1MHz振蕩器來控制PWM開關頻率。在MAX1820的產品定義階段,提高開關頻率是減小外部元件尺寸的一個辦法,但效率有可能降低到無法接受的水平。前面已經提到,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(tǒng)時鐘,MAX1820還包含一個13分頻時鐘合成器,可饋入一個10MHz至16MHz的低幅度正弦波。
圖3.MAX1820降壓型開關調節(jié)器經過優(yōu)化,在電池消耗最大的情況下發(fā)送數據時具有最高的效率。1MHz固定的開關頻率降低了輸出紋波和噪聲,同時在發(fā)送話音時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。隨著開關型降壓調節(jié)器在W-CDMA功放驅動中節(jié)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、個性化的數據手機及無線移動運算的理想成為現實。