2G至3.5G蜂窝移动设备的高效RF功率管理

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大家是否注意到人们对移动设备,尤其是对智能手机的着迷程度到了何种地步?人们在用智能手机进行网络冲浪、查收和编写电子邮件、玩网络游戏或者更新社交网络等活动。所有这些活动,外加拨打语音电话,都要消耗电池的能量,从功率放大器(PA)到显示器和内核芯片组,它们要消耗大量的能量。最终,锂离子电池的体积也只能适当增加,以保证智能手机不至于过于笨重。

 

但是却有几种方式可以让用户感到满意,避免经常为智能手机充电,或者在不适当时间电池电能耗尽的现象出现。智能手机中功率放大器消耗的功率大约占总体30%,在网络覆盖情况较差的区域,这个比率会高达70%。一般要求智能手机和手机具有兼容前几代蜂窝网络协议的能力,现今大多数手机均具有所谓的HEDGE-enabled功能,这意味着它们能够支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。换言之,3.5G(HSUPA和HSDPA)手机支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技术。目前市场上还有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窝技术的其它手机,它们也消耗大量功率。

 

不论是3G还是2G,功率放大器都会消耗大量功率,所以需要一种有效的方法来获得更长的通话/工作时间。不论是在进行语音通话,还是将数据从手机发送到基站,功率放大器均要消耗功率。在接收效果较差的区域,则需要更高的输出功率水平,这就意味着更高的功率消耗。对于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模块(PAM)的EDGE部分而言,不仅需要特定水平的输出功率,还要求具有足够的线性度,以确保向基站发送信号的保真度。

 

对于功率放大器外围的技术,已经开发出两种有效方法:DC-DC转换器和包络跟踪。第一种方式是更为流行的解决方案,飞兆半导体公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降压转换器FAN5904就针对这种应用。该产品是为了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而专门设计,因为在手机中线路板空间十分珍贵,设计人员无需再使用两个独立的降压转换器。FAN5904支持从WCDMA到HSUPA+,以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G无线标准。此外,该器件还支持中国的3G标准TD-SCDMA,以及用于更高数据传输率的TD-SCDMA信号调制下的HSUPA。随着兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的“TEDGE”手机的出现,FAN5904将是一种理想的解决方案。

 

FAN5904与基带处理器和功率放大器配合工作,以达到降低功耗的目的。基带芯片组将会根据从基站接收到的信息来设定输出功率水平,然后将其转换成电源电压,以便FAN5904可以为功率放大器供电。图1的系统应用示意图显示了FAN5904与基带芯片组、射频收发器和功率放大器之间的接口情况。为了生成正确的、相应于输出功率的电源电压,要求基带芯片组的固件能够包含Tx AGC/POUT查找表(LUT)中的另一列内容。

 

图1. FAN5904与基带处理器、射频收发器和3G功率放大器以及GSM/EDGE功率放大器模块的系统应用示意图

 

表1所示为针对某个HEDGE手机的WCDMA和HEDGE端口,如何配置查找表(LUT)的例子。该表格针对Avago的3G功率放大器,分为高、中和低功率模式三个主要部分。其它功率放大器因结构不同而具有不同的设置。高、中和低功率模式分区下各列内容为该模式下的输出功率及其相应的VCON电压,这些电压是基带处理器生成的电压,通知FAN5904为功率放大器提供正确的输出电压,获得特定的输出功率。GSM和EDGE则需要不同的查找表。

表1: 针对某个HEDGE手机的WCDMA和HEDGE端口,如何配置查找表(LUT)的例子

 

基带处理器能够针对输出功率水平,动态调节功率放大器的电源电压,从而降低功率放大器消耗的电流。这样便得到两种重要结果:一是降低了电源电压和电流,使得散热减少;二是延长了智能手机的通话时间和数据使用时间。在高输出功率或者大电流负载情况下,FAN5904会以6MHz的PWM模式工作,但在要求“中”或“低”输出功率时,它会自动转换至脉冲频率调制(PFM)模式。在PFM模式下,转换器以更低的开关频率工作,以保持更高的效率。图2和图3针对WCDMA (语音和数据)信号调制的DG90功率分布函数,显示使用与未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。对于语音通话,FAN5904在大部分时间工作于PFM模式,因为根据DG09曲线,PFM模式占用的时间少于输出功率高于18dBm时间的10%。恰恰相反的是,为了保证接收器的信噪比,在数据传送模式下则要求保证更高的“每bit能量”,所以在数据传送模式下,输出功率为16dBm或者以上的时间占据33%。

图 2. WCDMA信号调制和1000mAh锂离子电池条件下,使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通话时间分析

图 3. WCDMA信号调制和1000mAh锂离子电池条件下,使用和不使用 FAN5904的3G功率放大器的数据发送时间分析

 

图2和图3显示了在不同输出功率条件下一个3G PA分别在语音和数据传输模式下有、无FAN5904时所使用的工作时间的分析。在PA电源电压设定在邻近信道功率比(ACPR)为-39dBc时的值时,WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc,但是电流消耗将会增加,导致效率降低。

表2: 在WCDMA信号调制下使用 FAN5904时,通话时间和数据使用时间方面的改善。
 

表2显示了图2和图3的结果,以及功率放大器只工作于高功率模式下相应的分钟数。在HSUPA、CDMA200 1x EV-DO和TD-SCDMA等不同信号调制模式下,电流消耗和通话时间都有类似的改善。这里把高功率模式工作的通话/数据使用时间一起显示的原因是:新技术不仅得到了更多的分钟数,从设计角度来看,亦简化了校准工作。当功率放大器具有多种功率模式时,固件必需适应何时从一个等级切换到下一个等级,因为在整个输出功率范围内,每个功率放大器的每种功率模式都存在独特的VPA-POUT曲线。由于现在大多数手机都支持至少三个频段,这意味着满足要求的系统中可能有三种3G功率放大器,所以增加了复杂程度。在处于一种功率模式的功率放大器中使用FAN5904,可以消除模式切换带来的复杂性,更快地进行功率放大器校准,因为需要的校准点较少。这样就缩短了测试/校准的时间,并且降低了制造成本,同时简化了设计过程。

图 4. POUT = 28dBm时3G功率放大器的热成像:

 

一个时常被忽视,但经常遭到抱怨的参数是耗热问题。在手持电话贴近头部进行通话,使用手机网上冲浪或者玩在线网络游戏时手机发热,大多数用户会因此而感到烦恼。问题的关键在于,设计人员在设计手机时必需将这一因素考虑在内。图4所示为某3G功率放大器的热成像,其中,(a)为使用FAN5904来供电;(b)为直接与电池连接;(c)为电池以4.2V电压充电。使用FAN5904时,在满输出功率情况下,功率放大器的温度几乎不可能达到50?C,在(b)和(c)的情况下,温度很容易达到50?C和65?C,使用一段时间后,手机会很快发热。在数据卡应用中,尤其是3G USB调制解调器卡开始流行,热耗散,或者说实现热耗散最小化变得十分重要。USB卡不能像手机那样有效地散热,因为它的体积非常小。由于3G调制解调器主要用于数据,功率放大器在大部分时间运行于“发热”状态。减少这种热量的最有效方式是使用诸如FAN5904的降压转换器。

 

FAN5904的一个关键特性是,支持3G功率放大器的6MHz开关频率和支持GSM/EDGE功率放大器模块的3MHz开关频率,可以使用小体积的电感和电容。FAN5904使用1008规格(2.5mm x 2.0mm)的0.47?H电感,分别使用10?F 0603和2.2?F 0603电容作为输入和输出电容,实现占位面积很小的PCB解决方案,并且没有影响降压转换器的效率。