利用 SuPA（LM32XX）給手持設(shè)備射頻功率放大器供電

1、簡介

當(dāng)前越來越多的手持設(shè)備要求滿足盡可能長的工作時(shí)間，常用的方式是：一方面，優(yōu)化系統(tǒng)軟件，將不用的軟件關(guān)掉以節(jié)省更多的電能，用來延長電池的工作時(shí)間，這在優(yōu)化應(yīng)用處理器的功率消耗非常有效;另一方面，優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用低功耗、高效率的電源管理單元，這在優(yōu)化射頻單元和應(yīng)用處理器單元的功率消耗非常有效，SuPA 是專業(yè)用于射頻單元里驅(qū)動(dòng)功放的電源，除了繼承 DC-DC 的高的工作效率的優(yōu)點(diǎn)以外，它還采取了平均功率跟蹤技術(shù)(APT)用以配合射頻功放工作時(shí)不同功率對(duì)電壓的需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓給功放供電，從而滿足高效的工作效率。

2、什么是包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)

簡而言之，就是在功放的工作電壓與輸入的射頻信號(hào)之間建立聯(lián)系使之實(shí)時(shí)互相跟隨，從而提高功放的工作效率的技術(shù)，按照理論計(jì)算，相對(duì)直接使用電池的供電方式，它可以幫助系統(tǒng)節(jié)省 65%的功耗，SuPA 的新一代產(chǎn)品將會(huì)支持此模式。它的基本原理是：射頻處理單元和基帶處理單元根據(jù)射頻信號(hào)、功率等級(jí)和功放的自身特性參數(shù)(可以使用功放的查詢表 Look Up Table 或者又被稱為調(diào)理表 Shaping Table)計(jì)算出包絡(luò)信號(hào)(Envelop signal)，同時(shí)射頻、基帶單元中的差分 DAC 會(huì)提供一個(gè)模擬參考信號(hào)， ET 電源(ETPS)會(huì)將包絡(luò)信號(hào)放大，然后送往 PA，于此同時(shí) PA 會(huì)將 RF 信號(hào)放大，使得 RF 信號(hào)和 PA 的工作電壓跟隨，最后功放將放大后的信號(hào)送給雙工器，雙工器會(huì)把帶寬以外的信號(hào)衰減掉，同時(shí)將有用的信號(hào)凸顯出來。圖 1、圖 2、圖 3 描述這個(gè)過程中的信號(hào)調(diào)理過程。

3、什么是平均功率跟蹤技術(shù)(Average Power Track)

這種方式又稱為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方式(Adaptive Supply)，它是根據(jù)功放的預(yù)先輸出功率、結(jié)合功放的自身參數(shù)(可以使用功放的參數(shù)查詢表 Look-Up-Table)來自動(dòng)調(diào)整功放的工作電壓的技術(shù)，按照理論計(jì)算，相對(duì)于電池直接供電模式，它可以幫助系統(tǒng)節(jié)省 40%的電能。相對(duì) ET 方式，APT 使用和設(shè)計(jì)起來更加簡單和方便，

SuPA 當(dāng)前產(chǎn)品主要支持這種模式。

4、射頻功放的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增加，目前已經(jīng)由 2G 向 3G 和 4G 轉(zhuǎn)移，所以要求功放承擔(dān)更多的任務(wù)，因此要求功放具有更多工作模式和頻率帶寬滿足不同地區(qū)的制式，同時(shí)還要滿足更高的工作效率從而保持電池的長時(shí)間續(xù)航能力，因此為了滿足這種要求，使用 ET 模式或者 APT 模式的射頻電源就逐步成為趨勢(shì)，以下圖圖示為例，它的射頻電源單元可以支持 4 種帶寬的 GSM/EDGE 模式。

5、SuPA 在射頻單元中的位置

SuPA 是位于系統(tǒng)中的 RF 單元中給功放供電的位置，它在電池和功放之間，將電池電壓根據(jù)基帶單元和射頻單元提供的功率信號(hào)以及配合功放的自身特性信號(hào)轉(zhuǎn)換成功放的可以處于最優(yōu)工作模式的工作電壓，驅(qū)動(dòng)功放工作在高效模式，達(dá)到節(jié)省電能的目的。

6、APT 模式的 SuPA 工作機(jī)理

1. UCC27201 datasheet, Texas Instruments Inc., 2008

2. LM5035 datasheet, Texas Instruments Inc., 2013

SuPA 電源變換器與傳統(tǒng)的同步整流降壓型直流變換器的內(nèi)部拓?fù)涫且恢碌模瑳]有很大的不同，但是它的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)和主動(dòng)負(fù)載電流輔助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做過優(yōu)化的，因此它可以滿足當(dāng)負(fù)載電壓和電流發(fā)生變化時(shí)可以快速響應(yīng)，主動(dòng)電流輔助旁路功能可以滿足當(dāng)入口電壓瞬間下降或者負(fù)載電流瞬間增加時(shí)，可以將變換器迅速切換成類似負(fù)載開關(guān)模式，這樣做有兩個(gè)好處：第一，可以將電池能量快速提供給負(fù)載，滿足負(fù)載需求;第二，可以使用小尺寸、小電流電感，當(dāng)負(fù)載電流超過電感的電流極限時(shí)，那么 ACB 功能開關(guān) V3 就會(huì)進(jìn)入工作模式，將額外的負(fù)載電流承擔(dān)過來提供給負(fù)載，無需再經(jīng)過電感，所以可以使用小尺寸的電感，滿足超緊湊設(shè)計(jì)要求，這在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中是非常重要的。它的工作過程是：首先當(dāng)開關(guān)管 V2 導(dǎo)通時(shí)，V1 是斷開的，入口電源會(huì)給電感充電，此時(shí)電感兩端的電動(dòng)勢(shì)是左邊為“正”，右邊為“負(fù)”，當(dāng)電感充電完成后，V2 會(huì)斷開，V1 會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)電感上的兩端電壓會(huì)反向，變?yōu)樽筮厼椤柏?fù)”，右邊為“正”，于是電感中儲(chǔ)存的能量會(huì)經(jīng)過負(fù)載、V1 然后回流到電感的負(fù)極，此時(shí)的電感更像是一顆電池給負(fù)載供電。電感的充電和放電過程會(huì)周而復(fù)始的進(jìn)行，于是就會(huì)源源不斷的向負(fù)載提供連續(xù)的電流，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：Vo=D*Vin，其中 D 是占空比，即 V2 導(dǎo)通的時(shí)間在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所占的比例。VCON 是用來接收來自射頻處理芯片組或者基帶芯片組的控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)送進(jìn) SuPA 直流變換器控制單元，將輸出電壓和 VCON 電壓信號(hào)按照 A 倍的系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，于是輸出電壓和 VCON 信號(hào)就會(huì)按照 A 倍的比率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即：Vo=A*VCON;當(dāng)入口電壓跌落或者負(fù)載電流意外增加時(shí)，造成變換器瞬間過流，于是就會(huì)開啟主動(dòng)電流輔助旁路功能(ACB)模式，V3 會(huì)將電池電壓或者入口電源的電壓調(diào)整后再接入系統(tǒng)，滿足瞬間大負(fù)載電流需求，但是當(dāng)入口電壓進(jìn)一步跌到與輸出電壓一致或者壓差在 200mV 以內(nèi)時(shí)，V3 就會(huì)立刻完全導(dǎo)通，進(jìn)入真正的旁路模式，這是 SuPA 的獨(dú)到的控制模式，比如 2G 的 PA 瞬態(tài)電流往往會(huì)超過 2A，于是旁路功能就會(huì)顯得非常重要;在 3G 或者 4G 時(shí)，電流需求量不會(huì)很大，于是 SuPA就工作在單一的 DC-DC 轉(zhuǎn)換模式，滿足高效率要求。