基于开关调节器技术以提高发3G手机发送效率

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当今已是第三代移动通信(3G)时代，手机设计人员正忙于开发新的方案，以解决具有wcb浏览、无线收发电子邮件、拍照以及流送视频等多种功能高速 数据传输所带来的一系列新问题。其日益增加的压力是将上述功能合并到一个尺寸不断减少的外壳中，并同时提供更长的工作时间。尤其是必需传输更高的功率和更 优的线性度及更好的效率。
           
          最重要的是，手机必须有更长的通话时间，因为用户需要耗费更多时间使用他们的手机。也就是说日益增加的特性是应在低输出电压上对 可变功率作驱动而实现。但影响电池工作时间的一个重要因素是电源效率及系统电源管理。以往，手机中用于发送信号的功率放大器(PA)由电池直接驱动，虽简 单但效率不佳。而当今最关键的是高速数据传送要求具有更高的带宽和发送功率。因此，为保持足够长的电池工作时间，目前已有新的驱动力来重新思考更多地采用 开关调节器类型的选择。由此采用基于独特的开关调节器技术，将是一种有效方案。
           
          然而需要特别指出的是，在过去几年中手机用电池技术虽有不断改进，但是仍然落后于功能扩展的需求。为此，设计人员必须用减少手机功耗来满足高功率输 出和更长通话时间的需求，即靠手机中的半导体设备来实现。由于功率放大器(PA)是当前庞大需求的一个组件，因此立足于通过从功率控制来减少电流消耗，即 高效率低功率(HELP)技术，是一种很有效的设计方案。
           
          基于上述二种理念，有多种设计方案可先后应用。本文将从技术发展的迸程，仅以下列二种新技术方案为例作研讨。
          ⑴ 采用一种高度专门化设计的降压型DC-DC开关调节器来驱动功率放大器。这是当今越来越广泛受到蜂窝电话制造商们非常青睐的一种方案。当然，通过增加外部 的DC/DC转换器和偏置电压控制可以优化单链路功放在低功率输出时的效率，以达到增长通话时间。但是一个DC/DC开关调节器技术也必将带来增加手机的 尺寸及成本，将使手机设计变复杂，因为手机必须在不同的模拟控制状态下进行校准。于是就有了第二个设计方案开发与应用。
           
          ⑵ 将众多的功率控制功能集成到功放模块上，其集成功率控制功能不仅仅强调当前功耗的问题，并提供了更有效的手机设计方法。该芯片集成允许手机设计人员不使用 单独的DC/DC转换器和旁路电容，来优化功率管理和获取更长的通话时间。该控制功放功耗的一种方案是在较宽的输出功率范围内提高效率，就是基于优化低功 率输出的需求。因为手机大部分时间工作在低功率水平，大约在-4dBm的功率级。假设在PA和天线之间的电路损失大约为3dB，那么PA的输出功率大约为 -ldBm。在低功率级(低于0dBm)，功放主要消耗的是静态电流。在-ldBm输出功率时，功放的静态电流通常约为50mA。通过在低功率级减少静态 电流提高功放效率，设计人员可以大量减少功率损耗。然而直到最近，该方法还是有缺陷的，因为用于手机的典型双状态的单链路PA只能在最大额定功率下进行优 化，这使得手机在低功率水平下工作时的效率很低。
           
          2 基于开关调节器技术以提高发3G手机发送效率的设计方案
          从最先进3G手机基本架构所知，其日益增加的特性对可变功率驱动提出新要求。如对图像处理的应用处理器，在视频捕捉期间需要高达360mW的功率， 会很快耗尽电池的能量。于是电源效率及系统电源管理就成为影响电池一个重要因素。由于电源转换过程中会发热，就是独特的开关调节器技术引入的必然。如今已 有新的驱动力并具有较高工作效率的开关调节器可选择。值此以扩展频谱技术的低噪声开关调节器与低压差、脉宽调制DC-DC降压开关调节器为例，对提高手机 发送效率的设计方案作分析。
           
          2.1 采用扩展频谱技术的低噪声开关调节器
          在最先进的3G手机中，所有部件都如此密集以至于不存在这种严重噪声干扰可能性。况且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不现实。采用开关调节器的 其中一个代价是有可能产生谐波噪声。但已成功使用的一项技术是使DC/DC转换器的系统时钟伪随机抖动，这种力法及其所实现的扩展频谱运作使开关频率受一 个伪随机数(PRN)序列调制，以减少窄带谐波。这其实是将噪声“分散”到整个频率范围上，而不是集中在分别的谐波上。由于扩频噪声的峰值限度要低许多， 故可极大地降低干扰。尽管这种方法中过去已成功地用分立组件实现，但工艺的改进已允许将扩频技术包含到“更新的”DC/DC转换器中，从而可节省极大的空 间。以LTC3251开关调节器为例作说明。
           

        在芯片上实现扩频工作的一款IC LTC3251是输出电流达500mA的高效、低噪声及无电感器型降压DC/DC转换器。LTC325l的扩频振荡器被设计成可产生频率1MHz与 1.6MHz之间而周期为随机变化的时钟脉冲，这拥有将开关噪声分散到整个频率范围上的好处。图1为LTC3251引脚功能与应用示意图。
       

          该开关调节器可避开线性稳压器的效率缺点，通过低阻抗开关及—个磁性存储组件，可提供高达96%的转换效率，故可极大地减少转换过程中的功率损失。 通过在较高的开关频率(譬如大于2MH2)工作，可极人地减少外部电感器及电容器的尺寸。该开关调节器对最新3G手机而言是很有效的系统电源管理，例如用 于图像处理的应用处理器上。
           
          2.2 用低压差、脉宽调制(PWM)DC-DC降压转换器提高发送效率的方案
          ⑴ 低压差、脉宽调制(PWM)DC-DC降压转换器MAX1821可为WCDMA手机功率放大器(PA)供电设计，当然，它也可以用于其它需要优先考虑高效 率的应用。供电电压范围2.6V～5.5V，保证输出电流达600mA，1MHz PWM开关频率允许采用小尺寸外部元件，跳频模式使轻载静态电流降低至180?A。MAX1821可以动态控制，提供0.4V～3.4V的输出电压范围。 在电压和电流的满量程范围内，该电路的设计能够保证在<30?s内建立输出电压。MAX1821通过外部电阻设置输出电压，提供 1.25V～5.5V固定输出电压范围。
           

        MAX1821具有一个低导通电阻的内部MOSFET开关和同步整流器，大大提高了转换效率、减少了外部元件数;100%占空比在600mA负载下(包括外部电感电阻在内)允许压差仅有150mV。图2(a)所示为基于开关调节器技术以提高发送效率的设计框图。
       

           
          基站收发器系统(BTS)部件包括天线、无线电收发器、信号处理系统以及支持、控制硬件和软件，见图2(b)所示。
           
          对于广域蜂窝站，接收器—般通过双上器模块和塔顶部件连接到天线。塔顶部件由低噪声放大器(LNA)组成，在发送端天线前馈连高功率放大器 (HPA)。从图2(a)中可看出，实际上是在电池与WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降压型开关调节器，也组成了1MHZ脉宽调制降压 转换器，其PWM开关频率为1MHZ。
           
          ⑵开关调节器为WCDMA功放优化配置，有利于提高发送效率的运行
          实际上，重点是从系统性能的角度对特殊用途的MAX1820开关调节器有些什么样的特殊性能作分析，从而优化配置的运行也显而易见了。
           
          从图2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821这样的高效率开关调节器能动态地调整WCDMA功率放大器的供电电压，并使其跟随功放的发送功率而 变化，又刚好能满足射频信号的幅度要求。既可以提高电源的利用率，又减少了功率浪费。采用开关调节器高效率地实现这种调节，在峰值发送功率以外的任何工作 条件下，都可大幅度地节省电池功率，见图3所示。
        新型HELP技术与开关调节器在3G手机中的应用

       

        图3高效率开关调节器大幅度地节省电池功率图

         

          因为峰值功率只有在手机远离基站/或数据传送时需要.。从总体来讲，这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节，那么，就有可能采用固定增益的线性功放，省掉目前广泛应用于3G时代前电话的偏置控制。