有些人說電池壽命是移動手機中最重要的用戶需求。即使當消費者渴望先進的多媒體功能，他們也不愿意得到這些功能而放棄長通話的時間及待機時間。即便手機設計師延長了電池壽命, 他們正面臨“矛盾”的需求而增加消耗更多功率的新功能。盡管電池技術在近幾年在不斷的進步，但是還沒有突破性的技術革新，改進效率的任務落在 IC設計 廠商上，更低的功率消耗，允許更好的功率管理。
在移動電話中，驅(qū)動天線的功率放大器 (PA)是電池功率的最大消耗者。通過提高移動電話所有輸出功率等級的效率可以有效的減少功率消耗, 從而延長電池壽命。本文將介紹ANADIGICS 的CDMA 和 WCDMA 功放使用的HELPTM (低功率高效率)來滿足移動電話對功率的需求。
為了提高效率，首先要評估在城市和郊區(qū)的環(huán)境中大多數(shù)移動電話通信所需要的功率水平。對此，我們可以參考CDMA開發(fā)團隊(CDG)發(fā)表的數(shù)據(jù)。CDG發(fā)表的功率級別分布圖表顯示在以上兩種環(huán)境下移動電話處于開啟狀態(tài)的多數(shù)時間里，大部分移動電話工作時的發(fā)射功率遠遠低于最大發(fā)射功率。這是因為大多數(shù)移動電話用戶打電話的時候通常都移動電話塔較近, 因此移動電話工作時只需要相對較低的輸出功率。例如，當無線標準要求最大的輸出功率時大約為 +28 dBm，超過 80%通話的功率需求都少于 +10 dBm。遺憾的是，傳統(tǒng)的 PAs 在低功率級別工作時效率將大幅降低，這增加了電流消耗。在低功率級別工作時提高效率，能夠大幅延長電池的壽命。一個標準的WCDMA功放輸出+28dBm功率時效率為42%，輸出+16dBm時效率將大大降低，僅為8%，靜態(tài)電流大約為50 mA。
傳統(tǒng)射頻功放 是雙極 GaAs 器件，在高低功率水平間進行功率轉(zhuǎn)換，切換的門限是+16 dBm。一種常用的方法是使用外部 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來切換功放的電壓，從而使得 PA 效率最大化。這種方法的缺點是在材料清單(BOM)增加了額外的器件和成本,并浪費了主板空間。ANADIGICS 的HELPTM PAs，基于其 InGaP- PlusTM 的專利技術，提供了一個更優(yōu)良和更廉價的解決方案。InGaP- PlusTM 允許電路設計師把高性能 HBTs 和高性能pHEMTs集成在同一個基底中。這種因此產(chǎn)生的BiFET 技術能利用HBT來構建高線性放大器，使用 pHEMTs來構建快速、低損耗的開關。使用 BiFET 技術的PA可以不使用外部轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)低輸出功率時效率的最大化。pHEMT 開關允許在 PA 中選擇不同的放大器鏈路，這取決于輸出功率的要求。其好處是中等輸出功率時效率超過2倍，在16dBm時效率從 8%提高到 21%。由于效率的提高，平均的功率消耗將減少50% 。通過三種功率級別途徑的處理，第 3 代 HELP器件 (稱為HELP3)功率消耗降低多達 75% ，靜態(tài)電流也明顯減少，HELP技術使靜態(tài)電流從50mA降低到 15 mA, 而HELP3 的靜態(tài)電流僅為 7 mA(表1)。
表1. 顯示相關的三種 PAs 規(guī)范.
這在實際應用中是如何被實現(xiàn)的?考慮城市環(huán)境中典型的移動電話，接收電路和基帶部分消耗 125 mA 。當其它的發(fā)射電路功率消耗相等時，發(fā)射電路的功率消耗將由使用的PA不同而變化(發(fā)射電路時的功率消耗不僅僅包括 PA，也包含其它構件例如 RF 驅(qū)動放大器)。以下是在通話模式下，三種方案的電流消耗：
1. 移動電話，使用傳統(tǒng)功放(two-state PA):
PA的電流消耗為70mA,通話模式下電流消耗為：116mA(發(fā)射電路) + 125 mA (基帶&接收電路) = 241 mA
2. 移動電話，使用HELP 功放(two-level BiFET):
PA的電流消耗為34mA,通話模式下電流消耗為：81mA(發(fā)射電路) + 125 mA (基帶&接收電路) = 206mA 。
3. 移動電話，使用HELP3功放(three-level,BiFET):
PA的電流消耗為18mA,通話模式下電流消耗為：68mA(發(fā)射電路) + 125 mA (基帶&接收電路) =193 mA 。
HELP 及HELP 3 靜態(tài)電流可以分別減少 70% 和 86% ，同樣將有助于待機狀態(tài)下手機的降低功耗。
當然，功率消耗不是挑選PA的唯一理由，線性度、噪聲以及支持高端服務 (HSDPA)等系統(tǒng)級的性能都要考慮在內(nèi)。無論如何,功放的基本性能必須符合規(guī)范。
在滿足了基本的性能要求之后，開始進行PA的功耗管理。更高的集成度，增加更多的功能，同樣節(jié)約了空間和減少材料清單。例如，在HELP和 HELP3 技術之間的一個差異是 HELP3 PA內(nèi)置了電壓轉(zhuǎn)換器。
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