采用高性能開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器對(duì)射頻功率放大器進(jìn)行優(yōu)化

乍一看，線性穩(wěn)壓器似乎是射頻功率放大器的完美解決方案，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的噪聲非常小，并且沒有高頻開關(guān)。因此，不會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生RF干擾的問題。然而，缺點(diǎn)是效率非常低并且這些部件昂貴且大，使得它們不適合對(duì)成本敏感的空間受限的移動(dòng)應(yīng)用。

替代方案是高性能開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。多年來，架構(gòu)，半導(dǎo)體功率器件，無源元件，磁性元件和封裝方面的改進(jìn)使得德州儀器(TI)和Maxim Integrated Products等電源制造商能夠開發(fā)專門針對(duì)RF功率進(jìn)行優(yōu)化的DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊放大器(PA)。除了最大限度地減少射頻干擾外，這些模塊還可以產(chǎn)生非常低的噪聲，并可以將輸入電池電壓(2.7至5.5 V)逐步降低至3.6 V或更低的精確輸出電壓，同時(shí)具有極高的效率和功率密度。最近的進(jìn)展也使這些電源裝置具有成本效益。

RF放大器的直流電源

傳統(tǒng)上，通過通信系統(tǒng)的T/R開關(guān)驅(qū)動(dòng)發(fā)射器部分天線的RF PA直接連接到移動(dòng)設(shè)備的電池。然而，這種方法浪費(fèi)了大量的能量，因?yàn)镻A始終提供最大功率，而實(shí)際上大部分時(shí)間只需要其中的一小部分來可靠地確保無線語音和數(shù)據(jù)連接(圖1)。

圖1：向射頻放大器提供直流電源的傳統(tǒng)方式會(huì)導(dǎo)致大量浪費(fèi)的能量。

圖2：通過動(dòng)態(tài)調(diào)整施加到RF功率放大器的直流電壓，可以最大限度地減少能源浪費(fèi)。

例如，當(dāng)移動(dòng)設(shè)備靠近運(yùn)營(yíng)商的基站時(shí)，PA的RF輸出功率可能低于額定最大值。僅當(dāng)移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)離基站并且輸入RF信號(hào)較弱時(shí)才需要全最大輸出。類似地，當(dāng)移動(dòng)設(shè)備空閑時(shí)，它不需要與活動(dòng)模式中相同的DC電流量。為了減少這種不必要的功率浪費(fèi)，放大器的直流工作電壓必須根據(jù)所需的功率進(jìn)行調(diào)整(圖2)。

為了解決這個(gè)問題，TI開發(fā)了開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器，可根據(jù)所需的RF輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓。稱為功率放大器(SuPA)的電源，該系列轉(zhuǎn)換器可確保最佳的RF輸出，從而最大限度地減少能源浪費(fèi)并最大限度延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)簡(jiǎn)化智能手機(jī)，平板電腦和機(jī)器對(duì)機(jī)器終端的散熱設(shè)計(jì)。

針對(duì)單個(gè)鋰離子電池為RF PA供電而優(yōu)化的兩個(gè)SuPA DC/DC轉(zhuǎn)換器是LM3242和LM3243。兩者均設(shè)計(jì)為根據(jù)所需的實(shí)際RF輸出功率，將輸入電壓從2.7V降至5.5V，動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出電壓范圍為0.4至3.6V。雖然LM3242支持高達(dá)1 A的負(fù)載電流并且兼容3G和4G應(yīng)用，但LM3243提供獨(dú)特的有源電流輔助和模擬旁路模式(ACB)功能。這樣可以最大限度地減小電感器尺寸，而不會(huì)對(duì)整個(gè)電池電壓和RF輸出功率范圍造成任何輸出調(diào)節(jié)損失，直至掉電。 LM3243支持2G，3G和4G系統(tǒng)，可處理高達(dá)2.5 A的負(fù)載電流。例如，LM3242的輸出電壓是通過使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的VCON模擬輸入引腳來設(shè)置的，用于控制RF PA的功率電平和效率，而無需使用任何外部反饋電阻。如圖3所示，當(dāng)VCON介于0.16和1.44 V之間時(shí)，使用公式計(jì)算輸出

VOUT = 2.5 x VCON，

圖3：使用VCON控制輸入引腳將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓設(shè)置在0.4和3.6 V之間。

LM3242提供五種工作模式，具體取決于所需的電流。這些包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)，ECOnomy(ECO)，旁路(BP)，休眠和關(guān)機(jī)。在PWM模式下，器件在中等至重負(fù)載范圍內(nèi)以6 MHz典型固定頻率工作，并最大限度地減少RF干擾。在輕負(fù)載時(shí)，器件自動(dòng)進(jìn)入ECO模式，并以降低的開關(guān)頻率運(yùn)行。在ECO模式下，降低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池壽命。在電池電量不足的情況下，旁路模式可將電壓降低至低于50 mV(典型值)。該器件還具有休眠模式，該模式在VCON輸入小于80 mV(10μs)時(shí)觸發(fā)。最后，在關(guān)斷模式下，設(shè)備關(guān)閉以將電池消耗降至0.1μA。

采用9焊球，無鉛微型SMD，LM3242的高開關(guān)頻率(6 MHz)僅允許使用三個(gè)微型表面貼裝元件 - 一個(gè)電感器和兩個(gè)陶瓷電容器。外部無源元件的選擇，包括布局，將在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中詳細(xì)說明(可以使用上面提供的鏈接訪問Digi-Key網(wǎng)站上的產(chǎn)品頁面)。

二合一

同樣，為了為WCDMA或3G手機(jī)中的PA和RF收發(fā)器供電，Maxim Integrated Products優(yōu)化了雙降壓轉(zhuǎn)換器。它被指定為MAX8896，它集成了一個(gè)用于中低功率傳輸?shù)母咝WM降壓轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)140mΩ典型旁路FET，可在高功率傳輸期間直接從電池為PA供電。第二個(gè)高效PWM降壓轉(zhuǎn)換器(OUT2)直接為高功率電源抑制比(PSRR)，低輸出噪聲，200 mA低壓差(LDO)穩(wěn)壓器供電，為手機(jī)中的RF收發(fā)器供電。

快速切換允許使用小型陶瓷輸入和輸出電容，同時(shí)保持低紋波電壓。集成了反饋網(wǎng)絡(luò)，以減少外部元件數(shù)量和整體解決方案尺寸。如圖4所示，OUT1使用由外部數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)的模擬輸入來線性控制輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)PA功率調(diào)整。在高占空比時(shí)，OUT1自動(dòng)切換到旁路模式，通過低阻抗(140mΩ)MOSFET將輸入連接到輸出。

圖4：這款雙路降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器經(jīng)過優(yōu)化，可為WCDMA手機(jī)中的PA和RF收發(fā)器供電。

OUT2是一款2 MHz固定頻率降壓轉(zhuǎn)換器，能夠以100%的占空比工作。輸出精度在負(fù)載，線路和溫度范圍內(nèi)為±2%。 OUT2的輸出預(yù)設(shè)為3.1 V，為200 mA 2.8 V LDO供電，專為手機(jī)RF收發(fā)器部分所需的低噪聲(16μVrms)，高PSRR(65 dB)操作而設(shè)計(jì)。

總之，在為RF PA和其他RF功能供電時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇專為這些應(yīng)用而優(yōu)化的DC/DC轉(zhuǎn)換器。不建議將用于數(shù)字功能(如處理器和FPGA)的開關(guān)電源用于RF應(yīng)用。