降低手機(jī)射頻鏈路的功率消耗

　　有些人說(shuō)電池壽命是移動(dòng)手機(jī)中最重要的用戶需求。即使當(dāng)消費(fèi)者渴望先進(jìn)的多媒體功能，他們也不愿意得到這些功能而放棄長(zhǎng)通話的時(shí)間及待機(jī)時(shí)間。即便手機(jī)設(shè)計(jì)師延長(zhǎng)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(shù)在近幾年在不斷的進(jìn)步，但是還沒(méi)有突破性的技術(shù)革新，改進(jìn)效率的任務(wù)落在 IC設(shè)計(jì) 廠商上，更低的功率消耗，允許更好的功率管理。

　　在移動(dòng)電話中，驅(qū)動(dòng)天線的功率放大器 (PA)是電池功率的最大消耗者。通過(guò)提高移動(dòng)電話所有輸出功率等級(jí)的效率可以有效的減少功率消耗, 從而延長(zhǎng)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(lái)滿足移動(dòng)電話對(duì)功率的需求。

　　為了提高效率，首先要評(píng)估在城市和郊區(qū)的環(huán)境中大多數(shù)移動(dòng)電話通信所需要的功率水平。對(duì)此，我們可以參考CDMA開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)(CDG)發(fā)表的數(shù)據(jù)。CDG發(fā)表的功率級(jí)別分布圖表顯示在以上兩種環(huán)境下移動(dòng)電話處于開(kāi)啟狀態(tài)的多數(shù)時(shí)間里，大部分移動(dòng)電話工作時(shí)的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大發(fā)射功率。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)移動(dòng)電話用戶打電話的時(shí)候通常都移動(dòng)電話塔較近, 因此移動(dòng)電話工作時(shí)只需要相對(duì)較低的輸出功率。例如，當(dāng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)要求最大的輸出功率時(shí)大約為 +28 dBm，超過(guò) 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(jí)別工作時(shí)效率將大幅降低，這增加了電流消耗。在低功率級(jí)別工作時(shí)提高效率，能夠大幅延長(zhǎng)電池的壽命。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的WCDMA功放輸出+28dBm功率時(shí)效率為42%，輸出+16dBm時(shí)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(jìn)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(lái)切換功放的電壓，從而使得 PA 效率最大化。這種方法的缺點(diǎn)是在材料清單(BOM)增加了額外的器件和成本,并浪費(fèi)了主板空間。ANADIGICS 的HELPTM PAs，基于其 InGaP- PlusTM 的專利技術(shù)，提供了一個(gè)更優(yōu)良和更廉價(jià)的解決方案。InGaP- PlusTM 允許電路設(shè)計(jì)師把高性能 HBTs 和高性能pHEMTs集成在同一個(gè)基底中。這種因此產(chǎn)生的BiFET 技術(shù)能利用HBT來(lái)構(gòu)建高線性放大器，使用 pHEMTs來(lái)構(gòu)建快速、低損耗的開(kāi)關(guān)。使用 BiFET 技術(shù)的PA可以不使用外部轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)低輸出功率時(shí)效率的最大化。pHEMT 開(kāi)關(guān)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(shí)效率超過(guò)2倍，在16dBm時(shí)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(guò)三種功率級(jí)別途徑的處理，第 3 代 HELP器件 (稱為HELP3)功率消耗降低多達(dá) 75% ，靜態(tài)電流也明顯減少，HELP技術(shù)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(guān)的三種 PAs 規(guī)范.

　　這在實(shí)際應(yīng)用中是如何被實(shí)現(xiàn)的?考慮城市環(huán)境中典型的移動(dòng)電話，接收電路和基帶部分消耗 125 mA 。當(dāng)其它的發(fā)射電路功率消耗相等時(shí)，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(shí)的功率消耗不僅僅包括 PA，也包含其它構(gòu)件例如 RF 驅(qū)動(dòng)放大器)。以下是在通話模式下，三種方案的電流消耗：[!--empirenews.page--]

　　1. 移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)狀態(tài)下手機(jī)的降低功耗。

　　當(dāng)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(wù) (HSDPA)等系統(tǒng)級(jí)的性能都要考慮在內(nèi)。無(wú)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(kāi)始進(jìn)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(shù)之間的一個(gè)差異是 HELP3 PA內(nèi)置了電壓轉(zhuǎn)換器。