選擇合適功放來緩解LTE設(shè)備電量饑渴

目前，現(xiàn)代智能手機(jī)和高吞吐量4G網(wǎng)絡(luò)的功能與設(shè)計(jì)已遠(yuǎn)超好幾年前。然而，實(shí)現(xiàn)出色的移動(dòng)寬帶體驗(yàn)并不是一件容易的事。今天的智能手機(jī)必須包含大量的功能，包括高清晰屏幕、高分辨率攝像頭、揚(yáng)聲器、各種連接選項(xiàng)和快速的處理器。 這給手機(jī)設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)師們必須千方百計(jì)尋找在手機(jī)內(nèi)減小三維尺寸的方法。因此，設(shè)計(jì)師們轉(zhuǎn)而尋求RF元件制造商的幫助，以期獲得實(shí)現(xiàn)更高集成度和/或更高效率的方法。

支持多模多頻要求增加RF前端空間

隨著設(shè)備多媒體功能的增加成為設(shè)計(jì)的趨勢所在，RF部分對(duì)于頻段和模式的需求也在增加。世界范圍內(nèi)對(duì)LTE的采用要求制造商需要在移動(dòng)設(shè)備的RF部分增加頻段數(shù)目及相關(guān)的元件。這就給RF設(shè)計(jì)師帶來了極大的壓力，他們需要開發(fā)出具有更高集成度的新型解決方案來減少多模式多頻段RF元件的空間需求。

LTE網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)的部署通常是在現(xiàn)有的3G WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行“覆蓋”。許多LTE網(wǎng)絡(luò)首先在國際大都市區(qū)域被使用，在覆蓋區(qū)域內(nèi)還包含WCDMA、HSPA和HSPA+網(wǎng)絡(luò)。為了提高針對(duì)移動(dòng)用戶的持續(xù)數(shù)據(jù)服務(wù)，LTE手機(jī)及其他設(shè)備必須能夠在LTE信號(hào)強(qiáng)度變低的時(shí)候切換至3G網(wǎng)絡(luò)，然后在另一地點(diǎn)時(shí)重新連接至LTE網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在許多4G智能手機(jī)支持2G GSM/EDGE、3G WCDMA/HSPA+以及兩個(gè)或更多的LTE頻段，已經(jīng)是平常的事了。

3G和4G模式下功放的電流消耗

多模式和多頻段的使用不僅增加了對(duì)RF前端空間的需求，還降低了電池續(xù)航時(shí)間。移動(dòng)設(shè)備的RF功率等級(jí)由設(shè)備所處環(huán)境中的信噪比(SNR)和網(wǎng)絡(luò)要求決定。典型的工作功率等級(jí)從手機(jī)搜尋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的+23dBm到手機(jī)在有極好SNR區(qū)域內(nèi)工作時(shí)的-20dBm或更低。

由GSM協(xié)會(huì)在其TS09程序中頒布的測量電池續(xù)航時(shí)間的功耗分布是在典型WCDMA網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算3G設(shè)備采用不同功率等級(jí)發(fā)射的相對(duì)時(shí)間的實(shí)用指南（圖1）。TS09分布顯示移動(dòng)設(shè)備在許多不同輸出功率等級(jí)典型的概率，最大的可能性發(fā)生在低功耗和中等功耗區(qū)。

圖1：TS09 TX功率分布特性。

對(duì)于該Tx功率分布來說，在低功耗等級(jí)優(yōu)化功放的電流消耗對(duì)于延長電池的續(xù)航時(shí)間或幫助減小電池的尺寸非常重要。此類優(yōu)化首先由ANADIGICS采用其HELP?（低功率下的高效率）功放成功實(shí)現(xiàn)。此類功放采用先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)及功放增益模式來有效增加低功率和中等功率模式下的效率（圖2）。

圖2：ALT6701 Pout與效率的關(guān)系。

LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)設(shè)備提出了不同的要求。當(dāng)CDMA和WCDMA網(wǎng)絡(luò)要求電話大部分時(shí)間在功率回退下使用，而LTE網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通常要求短脈沖的高功率RF發(fā)射。由于功放大部分時(shí)間在高功率模式下運(yùn)行，因此所消耗的電流將比TS09上所示的功耗要高（圖3）。

圖3：LTE TX功率分布特性。

更大的電池容量將使LTE智能電話有更長的工作時(shí)間。在擁有更多高端智能電話的今天，電池在尺寸和重量上都是其中唯一一個(gè)最大的元件。因此，許多移動(dòng)設(shè)備制造商都在反復(fù)檢查RF前端，尋找提高效率的方法，以便設(shè)計(jì)師能夠通過減小電池尺寸來節(jié)約空間和成本。

獲得3G和4G功放的高效率

要設(shè)計(jì)一個(gè)在高功率模式下具有高效率和低電流消耗的功放并不是件容易的事情，因?yàn)橄冗M(jìn)的無線通信對(duì)于輸出功耗和線性增益都有要求。為了實(shí)現(xiàn)高效率，ANADIGICS功放設(shè)計(jì)師采用創(chuàng)新科技在不同的功率等級(jí)創(chuàng)造更高效的放大鏈路。 WCDMA和LTE設(shè)備需要不同的功放結(jié)構(gòu)（圖4）。 ANADIGICS HELP4?功放針對(duì)低功率、中等功率和高功率模式進(jìn)行了優(yōu)化，為固定的電源提供世界級(jí)的效率和比TS09 WCDMA功率分布更低的平均電流。

圖4：ANADIGICS專有功放結(jié)構(gòu)。

ANADIGICS的ProEficient?功放采用不同的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在高功率模式下?lián)碛懈叩男省Ｐ碌腜roEficient?功放能在高功率模式下實(shí)現(xiàn)更長的數(shù)據(jù)應(yīng)用，提供更出色的效率，在中等功率模式下提供更長的通話時(shí)間（圖5）。該性能無需DC/DC轉(zhuǎn)換器就能實(shí)現(xiàn)，能將RF前端的空間要求最小化，降低電流消耗，讓制造商能夠延長電池續(xù)航時(shí)間或降低電池容量。

為實(shí)現(xiàn)更為卓越的空間節(jié)省，ANADIGICS的新ProEficient?系列功率放大器也同樣采用雙頻段配置。與現(xiàn)有單頻段解決方案相比，這些新型器件通過結(jié)合兩個(gè)采用緊湊型3 mm × 4 mm封裝的獨(dú)立ProEficient 功率放大器，將PCB空間降低了33%，并且它們能提供與單頻段ProEficient 功率放大器相同的效率，從而再次降低了電池消耗。

圖5：ProEficient效率(待機(jī)時(shí))。

同樣，低功率模式下的效率也沒有被忽略，因?yàn)閷?duì)于大部分LTE設(shè)備來說，能夠在WCDMA/HSPA模式下工作一段時(shí)間非常重要。ANADIGICS的新ProEficient設(shè)計(jì)將高功率輸出效率提高了7%，有效地在高LTE功率時(shí)降低了電池電流消耗。ANADIGICS的ProEficient?功放經(jīng)過優(yōu)化，在低功率和中等功率下無需SMPS就能實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的效率，此類功放還可以與APT一起使用，來幫助提供更低的電流消耗。

圖6：新型ProEficient二級(jí)結(jié)構(gòu)。

平均功率跟蹤技術(shù)(APT)是一種用來提高RF前端低輸出功率和中等輸出功率時(shí)效率的技術(shù)。依托于基帶精確的算法，DC/DC轉(zhuǎn)換器的高效，APT就能在不同的TX信號(hào)幅度下都保證PA的高效率運(yùn)行。提高的效率降低了RF的電流需要，允許設(shè)計(jì)師們使用更小的電池。

HELP4設(shè)計(jì)仍然能夠在固定電池電源的情況下，提供3G TS09 Tx功率分布中最低的平均功耗，但是新的ProEficient架構(gòu)在功放電源采用DC/DC轉(zhuǎn)換器的平均功耗追蹤技術(shù)(APT)下效率更加出色。

APT增加了電話設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，要求更多的計(jì)算功耗和額外的PMIC功能，因此不適合所有的設(shè)計(jì)價(jià)格點(diǎn)。工廠校準(zhǔn)也更加復(fù)雜，因?yàn)殡妷罕仨毰c校準(zhǔn)算法中的頻率、增益和溫度一起考慮。 這樣，這些用于實(shí)施SMPS的額外元件的成本可能會(huì)快速增加。如果將所有額外元件考慮在內(nèi)，則用戶在實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，完整功率放大器解決方案的成本幾乎是獨(dú)立式單頻段功率放大器的兩倍。因此，整個(gè)RF部分的物料清單成本會(huì)增加。

明智地選擇功放

現(xiàn)代的LTE智能電話給設(shè)計(jì)師帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)繼續(xù)集中在效率和空間要求上。并且，這些要求通過電池容量都互相關(guān)聯(lián)。因此，選擇能幫助減小整個(gè)電池續(xù)航時(shí)間的功放至關(guān)重要。過去，這通常通過選擇在低功率和中等功率等級(jí)效率較高的功放來實(shí)現(xiàn)。今天，這可以通過選擇在所有功率等級(jí)都具有出色效率的功放來實(shí)現(xiàn)。

為了幫助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)具有前沿功能、長電池續(xù)航時(shí)間的輕薄智能手機(jī)的目的，顯然功放需要在所有工作條件下提供出色的性能。這包括在高功率模式下達(dá)到高效率的能力，同時(shí)在不依靠DC/DC轉(zhuǎn)換器的情況下在低功率和中等功率模式下也能提供高效率。這為設(shè)計(jì)師提供了最大的靈活性，設(shè)計(jì)師可以決定怎樣為他們的設(shè)備采用最佳的RF前端解決方案。