采用DC/DC轉(zhuǎn)換器提高RF PA系統(tǒng)效率

  從功率預(yù)算的角度而言，直接由電池供電的射頻功率放大器(RF PA)是需要重點(diǎn)考慮的元件。傳統(tǒng)上，CDMA/WCDMA蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中使用的射頻功率放大器都直接由電池供電，這種供電方式使系統(tǒng)很容易設(shè)計(jì)，但是，這種標(biāo)準(zhǔn)中使用的線性功率放大器在整個(gè)發(fā)射功率范圍內(nèi)的實(shí)際效率很低。本文講述一種通過DC/DC轉(zhuǎn)換器提供高效RF PA系統(tǒng)電源管理的方案。 

        隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳輸速率已從CDMA-1標(biāo)準(zhǔn)中的14.4kbps發(fā)展到CDMA2000/WCDMA標(biāo)準(zhǔn)中的2Mbps。此外，為了增加從每個(gè)用戶獲得的平均收入，蜂窩通信運(yùn)營(yíng)商已開始增加與3G電話相關(guān)的服務(wù)。同時(shí)，通話時(shí)間和電池壽命也期望采用具有同樣或稍高一些容量的電池來(lái)獲得提高。這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更富有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須非常謹(jǐn)慎，對(duì)手機(jī)電路板上每一個(gè)元件的功率進(jìn)行考察。從功率預(yù)算的角度而言，直接由電池供電的射頻功率放大器（RF PA）是需要重點(diǎn)考慮的元件。 

        CDMA和WCDMA采用的調(diào)制電路導(dǎo)致了一種表現(xiàn)為非常數(shù)振幅包絡(luò)的調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生。為了保持信號(hào)的完整性以及促進(jìn)頻譜再生，需要一種線性功率放大器。然而，由于功率放大器只有運(yùn)行在增益壓縮條件下才能保持較高的效率，因而轉(zhuǎn)換效率并不高。為了達(dá)到所需要的線性，實(shí)際發(fā)射功率從功率放大器的壓縮點(diǎn)開始補(bǔ)償，這導(dǎo)致了效率的整體降低。當(dāng)手機(jī)以發(fā)射模式工作時(shí)，由于功率放大器實(shí)際效率低，射頻部分的功耗將占功率總預(yù)算的65%。

                                    圖1：舊方法與新方法 

        因此，采用磁性降壓轉(zhuǎn)換器供電是線性功率放大器的理想選擇，這將大幅度提高系統(tǒng)的效率。增加的功率效率（PAE）是功率放大器的主要性能指標(biāo)。 

        PAE(%)= (POUT-PIN)/Pdc 

        使用DC-DC轉(zhuǎn)換器（功率放大器電源穩(wěn)壓器）的主要目的是減少分母中的Pdc因子。當(dāng)功率放大器與電池直接相連時(shí)，Pdc=Vbatt*Ibatt,而當(dāng)它使用功率放大器電源穩(wěn)壓器供電時(shí)，Pdc=V o*I o。現(xiàn)在我們能夠看出，為了增加PAE，V o和Io 必須低于Vbatt和Ibatt。這可以通過降低發(fā)射的射頻功率電平，降低功率放大器電源穩(wěn)壓器的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣也降低了Io （功率放大器的吸收電流），并且由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的高效性，電池的輸出電流也會(huì)降低。 

        為了真正理解電源穩(wěn)壓器為功率放大器帶來(lái)的功率節(jié)省，考慮面向不同調(diào)制方法的功率概率圖非常重要（見圖2）。功率概率圖在城市地區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)會(huì)有所不同。

圖2：在標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)中，功率放大器在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)發(fā)射低功率電平，采用功率放大器電源穩(wěn)壓器會(huì)提高功率節(jié)省的概率。 


        如圖3所示，為了符合鄰道功率抑制比（ACPR）的要求，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須隨著發(fā)射功率電平的變化而變化。在0d Bm到20d Bm的功率電平范圍內(nèi)，電池電流可節(jié)省多達(dá)50mA。圖2表示的是功率放大器在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，運(yùn)行在這樣的功率電平范圍內(nèi)。
 

               圖3：當(dāng)功率放大器使用DC-DC轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，電池電流的節(jié)省情況
 

                圖4：當(dāng)功率放大器由電源穩(wěn)壓器供電時(shí)，功率節(jié)省的百分比 

        那么，當(dāng)發(fā)射功率電平提高時(shí)，我們?yōu)槭裁幢仨毟淖僁C-DC轉(zhuǎn)換器的電壓呢？答案是：這種改變是保持鄰道功率抑制比（ACPR）的需要。ACPR用于表示功率放大器的失真狀況和其他子系統(tǒng)或系統(tǒng)引起鄰信道干擾的趨向。它指的是主信道的功率譜密度（PSD）與在幾種不同的失調(diào)頻率下測(cè)量的功率譜密度的比值。

                         圖5：功率放大器的供電電壓和POUT怎樣影響ACLR