2.5G和3G移動(dòng)電話改善發(fā)送效率的新型方案

隨著第三代移動(dòng)通信(3G)時(shí)代的臨近，手機(jī)設(shè)計(jì)人員正忙于開發(fā)新的方案，以解決高速數(shù)據(jù)傳輸所帶來的一系列新問題。其中，最主要的問題集中在軟件、屏幕技術(shù)、數(shù)據(jù)處理帶寬以及電池壽命等方面。

這些問題在在第二代（2G）只有話音和低速數(shù)據(jù)功能的手機(jī)中，還不是如此嚴(yán)峻，并且允許采用一些簡(jiǎn)單和廉價(jià)的方案進(jìn)行折衷或彌補(bǔ)。一個(gè)典型的例子就是功放，典型的2G手機(jī)中用于發(fā)送信號(hào)的功率放大器(PA)是由電池直接驅(qū)動(dòng)的，效率雖不是最佳,但非常簡(jiǎn)單。

而在3G手機(jī)中，最關(guān)鍵的是,高速數(shù)據(jù)傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。因此，為保持足夠長(zhǎng)的電池工作時(shí)間，就必須要采用更先進(jìn)和效率更高的方案。

一種解決方法那就是采用一種高度專門化設(shè)計(jì)的DC-DC降壓變換器MAX1820來驅(qū)動(dòng)PA,.這是當(dāng)今越來越廣泛受到蜂窩電話制造商們青睞的一種方案。

降壓變換器MAX1820改善發(fā)送效率的設(shè)計(jì)方案由MAX1820組成的改善手機(jī)2.5G和3G發(fā)送效率配置方案圖示于圖1。

圖1

應(yīng)用MAX1820降壓變換器改善2.5G和3G手機(jī)發(fā)送效率方案框圖(1MHz脈寬調(diào)制降壓變換器)

從圖中可看出,實(shí)際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1820降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，它也是組成了1MHz脈寬調(diào)制降壓轉(zhuǎn)換器, 其PWM開關(guān)頻率為1MHz。

從圖1中可以清楚地看出，利用MAX1820這樣的高效率開關(guān)調(diào)節(jié)器能動(dòng)態(tài)地調(diào)整WCDMA功率放大器(PA)的供電電壓，并使其跟隨功放(PA)的發(fā)送功率而變化，又其剛好能滿足射頻信號(hào)的幅度要求.,從而既可以提高電源的利用率，又減少功率浪費(fèi)。采用開關(guān)調(diào)節(jié)器高效率地實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)，在峰值發(fā)送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節(jié)省電池功率,見圖2所示。

圖2 圖2與用電池直接驅(qū)動(dòng)功放的方案相比較，采用MAX1820后明顯降低了手機(jī)電池的電流，尤其是在該率最高的低發(fā)送功率時(shí)節(jié)點(diǎn)效果更為明顯。

因?yàn)榉逯倒β手挥性谑謾C(jī)遠(yuǎn)離基站/或數(shù)據(jù)傳送時(shí)需要。從總體來講，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(gè)足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)高效率地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，那么，就有可能采用固定增益的線性功放，省掉目前廣泛應(yīng)用于2G電話的偏置控制。

那末MAX1820降壓變換器用的是什么技術(shù)能實(shí)現(xiàn)省電并提高手機(jī)發(fā)送效率?也就是說該設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可行性是什么?這是需要在下面說明的。

該問題實(shí)際上重點(diǎn)是從系統(tǒng)性能的角度，對(duì)特殊用途的MAX1820降壓變換器有些什么樣的特殊性能作一分析，從而優(yōu)化配置的論證也顯而易見了。

& nbsp; 為便于理解，現(xiàn)首先應(yīng)該研究一下作為負(fù)載的功放及其特性見圖3。

圖3

圖3固定增益的雙極型WCDMA功率放大器的典型負(fù)載曲線中有一個(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)。

它由一個(gè)主要蜂窩電話商制造提供,表示一個(gè)雙極工藝的固定增益WCDMA功率放大器的負(fù)載曲線。在峰值發(fā)送功率時(shí)，功率需要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(dāng)靠近基站并且只發(fā)送話音時(shí)，功放僅吸取30mA的電流和0.4V到1V的電源電壓。對(duì)應(yīng)的功放消耗功率分別為2040mW（最大值）和12mW（最小值）。

針對(duì)具有此類負(fù)載特性的功放,要對(duì)降壓變換器進(jìn)行優(yōu)化并非易事.。而MAX1820 WCDMA蜂窩電話降壓型變換器能滿足這種要求。MAX1820特殊性能：在很寬負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率高效率和省電是MAX1820的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想，見圖4。

圖4
MAX1820降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器被優(yōu)化，在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率、低輸出紋波和噪聲，同時(shí)保持高達(dá)1MHz的恒定開關(guān)頻率傳送數(shù)據(jù)時(shí)（約500mW至2040mW），MAX1820內(nèi)部的低導(dǎo)通電阻（0.15Ω）PFET可以提供高達(dá)97%的效率。傳送話音時(shí)（約12mW至500mW），MAX1820內(nèi)部的0.2ΩNFET同步整流器和3.3mA的低工作電流（強(qiáng)制PWM模式）使轉(zhuǎn)換效率達(dá)97%。97%效率聽起來不算高，但對(duì)于一個(gè)工作在1MHz恒定開關(guān)頻率和很輕負(fù)載的轉(zhuǎn)換器來講并非易事，正如圖3所示，轉(zhuǎn)換器具有極低的功率損耗。這是良好的芯片設(shè)計(jì)和亞微米制造工藝所具有的，這種工藝并能在給定的FET導(dǎo)通電阻下獲得更低的柵極電容。

·輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調(diào)整

為此，采用一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)MAX1820的模擬控制引腳（REF）,見圖1

所示。由于DAC的輸出電壓范圍達(dá)不到3.4V，故MAX1820從REF到OUT具有1.76倍的電壓增益。

·輸出電壓的快速轉(zhuǎn)變和建立（30μS）

在WCDMA系統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)送功率需要根據(jù)基站的要求，每666μS向上或向下調(diào)節(jié)1dB, 以跟隨WCDMA功放的發(fā)射功率電平。此外，每10mS隔，手機(jī)會(huì)發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變,見圖5所示.

圖5

MAX1820的輸出功率每隔666mS就被動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)1dB，以跟隨WCDMA功放的發(fā)射功率電平，然而，當(dāng)從語音模式切換到數(shù)據(jù)模式時(shí)(或相反)，可能要求MAX1820的輸出電壓和負(fù)載電流發(fā)生滿量程的變化，改編后的輸出電壓要求在30mS內(nèi)穩(wěn)定，以保證功放的線性。

各種情況下，發(fā)送功率水平的變化需要在50μS內(nèi)完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統(tǒng)延遲，留給降壓變換器來改變功放電源的時(shí)間還要減少。由于這個(gè)原因，MAX1820專門設(shè)計(jì)為能夠在30μS內(nèi)改變并建立輸出電壓,甚至對(duì)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C被限制在僅僅4.7μF,見圖1所示。這給工作的穩(wěn)定性帶來了桃戰(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5 mVp-p。降壓變換器面臨的另外一個(gè)問題出現(xiàn)在需要迅速降低發(fā)送功率的時(shí)候，例如退出數(shù)據(jù)模式時(shí)。在此情況下，MAX1820能夠反轉(zhuǎn)電感L中的電流，將輸出Vout迅速拉低以便保證30μS的建立時(shí)間。否則，功放的線性會(huì)隨著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(jié)省了電能。