新型HELP技术与开关调节器在3G手机中的应用

 

 

 

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。

 

 

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。