利用SuPA給手持設(shè)備射頻功率放大器供電

在手持設(shè)備中給射頻功放供電一直是一個比較難做的設(shè)計，因為一方面需要提高射頻功放的工作效率用來延長電池的工作時間，另一方面又不能在提高工作效率的同時降低功放的工作性能，所以必須為其提供一個滿足要求的高效直流電源。 常規(guī)的方式是將功放的電源端與電池直接連接供電，但是這種工作模式會使得功放的工作效率變得很低，不能滿足高效低功耗要求。德州儀器公司推出的 SuPA(Supply for Power Amplifier)系列的DC/DC產(chǎn)品從工作機理上做了創(chuàng)新，采用平均功率跟蹤(Average Power Track)技術(shù)和包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)優(yōu)化了射頻功放工作時功率消耗，從而提高了功放的工作效率，延長了電池的工作時間。本文著重闡述平均功率跟蹤技術(shù)的工作原理和SuPA 的應(yīng)用設(shè)計，從而方便設(shè)計工程師能夠快速地理解和應(yīng)用此項技術(shù)，實現(xiàn)高效的功放電源設(shè)計?！　?/p>本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/259622.htm

射頻功放的發(fā)展趨勢和特點

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 還要滿足更高的工作效率從而保持電池的長時間續(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。

包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)及平均功率跟蹤技術(shù)(Average Power Track)

1. 包絡(luò)跟蹤技術(shù)

簡 而言之，就是在功放的工作電壓與輸入的射頻信號之間建立聯(lián)系使之實時互相跟隨，從而提高功放的工作效率的技術(shù)，按照理論計算，相對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、功率等級和功放的 自身特性參數(shù)計算出包絡(luò)信號(Envelop signal)，同時射頻、基帶單元中的差分DAC會提供一個模擬參考信號，ET電源(ETPS)會將包絡(luò)信號放大，然后送往PA，于此同時PA會將RF 信號放大，使得RF信號和PA的工作電壓跟隨，最后功放將放大后的信號送給雙工器，雙工器會把帶寬以外的信號衰減掉，同時將有用的信號凸顯出來。

2. 平均功率跟蹤技術(shù)

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)來自動調(diào)整功放的工作電壓的技術(shù)，按照理論計算，相對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ET方式，APT使用和設(shè)計起來更加簡單和方便，SuPA當(dāng)前產(chǎn)品主要支持這種模式。

圖1：平均功率跟蹤(APT)模式，能量消耗區(qū)域，紅色部分為消耗區(qū)

APT模式的SuPA的優(yōu)點

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)部拓撲是一致的，沒有很大的不同，但是它的負載動態(tài)響應(yīng)和主動負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)負載電壓和電流發(fā)生變化時可以快速響應(yīng)，主動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載電流瞬間 增加時，可以將變換器迅速切換成類似負載開關(guān)模式，這樣做有兩個好處：第一，可以將電池能量快速提供給負載，滿足負載需求；第二，可以使用小尺寸、小電流 電感，當(dāng)負載電流超過電感的電流極限時，那么ACB功能開關(guān)V3就會進入工作模式，將額外的負載電流承擔(dān)過來提供給負載，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)計要求，這在實際應(yīng)用設(shè)計中是非常重要的。

APT模式下SuPA的原理圖設(shè)計和關(guān)鍵功率器件設(shè)計：

圖2：LM3242的典型原理圖

圖2是LM3242的典型原理圖，為了清楚闡述功率器件設(shè)計過程，下面將分為兩大部分進行說明。

輸入、輸出電容設(shè)計考慮

從圖2中可以看到輸入電容為1nF和10uF組合，這樣做的原因是可以濾除不同頻率的噪音，輸入端噪音可以來自兩個部分：第一，來自于輸入端電源總 線上的噪音，比如總線還給其他負載供電，而這些負載的電源也是來自于DC/DC變換器，因此在電源總線就會疊加非常豐富的噪音；第二，來自于LM3242 的自身開關(guān)噪音，它的開關(guān)噪音同樣會疊加在輸入端，因此可能會干擾總線上的其它負載芯片，所以實際設(shè)計時，入口還會需要更多不同容值的電容才可以滿足濾除 不同噪音頻率的要求，比如10pF或者100pF的電容也會用到，不同容值的電容所針對的最佳濾除頻率也是不一樣的，對于大容量的電容來說它可以濾除的頻 率范圍相對來說窄一些，因為它的拐點頻率比較低，在拐點頻率之內(nèi)，電容的阻抗是呈下降趨勢，也就是表現(xiàn)的是容性特質(zhì)，但是拐點頻率之上，阻抗是呈上升特 性，則表現(xiàn)的是電感特性，因此不再具有濾波作用，這也就是需要搭配不同容值電容的原因所在，因為噪音頻率非常豐富，一種容值的電容是不可能把寬頻帶的噪音 全部濾除掉，另外還要注意同等容值、同等耐壓的小尺寸的電容表現(xiàn)出來的容性帶寬更寬一些，這主要是小尺寸的電容它的內(nèi)部寄生電感量更小一些、同時它的有效 容量更低一些，因此表現(xiàn)出來的特性就是濾除噪音的帶寬更寬一些，從圖中可以看出小容量但是尺寸更小的01005封裝的電容，它可以濾除的噪音頻帶更寬。

圖3: 電容阻抗和頻率關(guān)系圖

輸出電感設(shè)計考慮：

功率電感的計算，一般可以參照下面公式進行計算

Vo：輸出電壓，D：Vo/Vin，F(xiàn)sw：開關(guān)頻率，比如LM3242，開關(guān)頻率是6MHz；ΔIo：電感內(nèi)部的紋波電流，可以取(0.2~0.5)Io

結(jié)論和主流射頻功放電源產(chǎn)品

當(dāng)今的手持設(shè)備功能越來越豐富，因此對于手持設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計來說挑戰(zhàn)性越來越高，在滿足高性能的同時盡可能延長續(xù)航時間是電源設(shè)計的終極目標，本文所討論的SuPA 產(chǎn)品可以有效節(jié)省射頻單元的耗電量，盡可能把寶貴的能量留給其他應(yīng)用處理器，有效提高設(shè)備的工作時間，目前德州儀器公司出品了一系列產(chǎn)品去滿足不同射頻功放的要求，比如LM3242，LM3243，LM3262，LM3263以及支持既可以升壓又可以降壓的產(chǎn)品滿足未來的4G應(yīng)用。