2G至3.5G蜂窩移動(dòng)設(shè)備高效射頻功率管理

大家是否注意到人們對(duì)移動(dòng)設(shè)備，尤其是對(duì)智能手機(jī)的著迷程度到了何種地步?人們?cè)谟弥悄苁謾C(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)沖浪、查收和編寫(xiě)電子郵件、玩網(wǎng)絡(luò)游戲或者更新社交網(wǎng)絡(luò)等活動(dòng)。所有這些活動(dòng)，外加撥打語(yǔ)音電話，都要消耗電池的能量，從功率放大器(PA)到顯示器和內(nèi)核芯片組，它們要消耗大量的能量。最終，鋰離子電池的體積也只能適當(dāng)增加，以保證智能手機(jī)不至于過(guò)于笨重。

但是卻有幾種方式可以讓用戶感到滿意，避免經(jīng)常為智能手機(jī)充電，或者在不適當(dāng)時(shí)間電池電能耗盡的現(xiàn)象出現(xiàn)。智能手機(jī)中功率放大器消耗的功率大約占總體30%，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況較差的區(qū)域，這個(gè)比率會(huì)高達(dá)70%。一般要求智能手機(jī)和手機(jī)具有兼容前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能力，現(xiàn)今大多數(shù)手機(jī)均具有所謂的HEDGE-enabled功能，這意味著它們能夠支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。換言之，3.5G(HSUPA和HSDPA)手機(jī)支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技術(shù)。目前市場(chǎng)上還有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窩技術(shù)的其它手機(jī)，它們也消耗大量功率。

不論是3G還是2G，功率放大器都會(huì)消耗大量功率，所以需要一種有效的方法來(lái)獲得更長(zhǎng)的通話/工作時(shí)間。不論是在進(jìn)行語(yǔ)音通話，還是將數(shù)據(jù)從手機(jī)發(fā)送到基站，功率放大器均要消耗功率。在接收效果較差的區(qū)域，則需要更高的輸出功率水平，這就意味著更高的功率消耗。對(duì)于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模塊(PAM)的EDGE部分而言，不僅需要特定水平的輸出功率，還要求具有足夠的線性度，以確保向基站發(fā)送信號(hào)的保真度。

對(duì)于功率放大器外圍的技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩種有效方法：DC-DC轉(zhuǎn)換器和包絡(luò)跟蹤。第一種方式是更為流行的解決方案，飛兆半導(dǎo)體公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降壓轉(zhuǎn)換器FAN5904就針對(duì)這種應(yīng)用。該產(chǎn)品是為了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而專門(mén)設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谑謾C(jī)中線路板空間十分珍貴，設(shè)計(jì)人員無(wú)需再使用兩個(gè)獨(dú)立的降壓轉(zhuǎn)換器。FAN5904支持從WCDMA到HSUPA+，以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。此外，該器件還支持中國(guó)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，以及用于更高數(shù)據(jù)傳輸率的TD-SCDMA信號(hào)調(diào)制下的HSUPA。隨著兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的“TEDGE”手機(jī)的出現(xiàn)，FAN5904將是一種理想的解決方案。

FAN5904與基帶處理器和功率放大器配合工作，以達(dá)到降低功耗的目的?；鶐酒M將會(huì)根據(jù)從基站接收到的信息來(lái)設(shè)定輸出功率水平，然后將其轉(zhuǎn)換成電源電壓，以便FAN5904可以為功率放大器供電。圖1的系統(tǒng)應(yīng)用示意圖顯示了FAN5904與基帶芯片組、射頻收發(fā)器和功率放大器之間的接口情況。為了生成正確的、相應(yīng)于輸出功率的電源電壓，要求基帶芯片組的固件能夠包含Tx AGC/POUT查找表(LUT)中的另一列內(nèi)容。

圖1. FAN5904與基帶處理器、射頻收發(fā)器和3G功率放大器以及GSM/EDGE功率放大器模塊的系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

表1所示為針對(duì)某個(gè)HEDGE手機(jī)的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子。該表格針對(duì)Avago的3G功率放大器，分為高、中和低功率模式三個(gè)主要部分。其它功率放大器因結(jié)構(gòu)不同而具有不同的設(shè)置。高、中和低功率模式分區(qū)下各列內(nèi)容為該模式下的輸出功率及其相應(yīng)的VCON電壓，這些電壓是基帶處理器生成的電壓，通知FAN5904為功率放大器提供正確的輸出電壓，獲得特定的輸出功率。GSM和EDGE則需要不同的查找

表1: 針對(duì)某個(gè)HEDGE手機(jī)的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子

基帶處理器能夠針對(duì)輸出功率水平，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的電源電壓，從而降低功率放大器消耗的電流。這樣便得到兩種重要結(jié)果：一是降低了電源電壓和電流，使得散熱減少;二是延長(zhǎng)了智能手機(jī)的通話時(shí)間和數(shù)據(jù)使用時(shí)間。在高輸出功率或者大電流負(fù)載情況下，F(xiàn)AN5904會(huì)以6MHz的PWM模式工作，但在要求“中”或“低”輸出功率時(shí)，它會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換至脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式。在PFM模式下，轉(zhuǎn)換器以更低的開(kāi)關(guān)頻率工作，以保持更高的效率。圖2和圖3針對(duì)WCDMA (語(yǔ)音和數(shù)據(jù))信號(hào)調(diào)制的DG90功率分布函數(shù)，顯示使用與未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。對(duì)于語(yǔ)音通話，F(xiàn)AN5904在大部分時(shí)間工作于PFM模式，因?yàn)楦鶕?jù)DG09曲線，PFM模式占用的時(shí)間少于輸出功率高于18dBm時(shí)間的10%。恰恰相反的是，為了保證接收器的信噪比，在數(shù)據(jù)傳送模式下則要求保證更高的“每bit能量”，所以在數(shù)據(jù)傳送模式下，輸出功率為16dBm或者以上的時(shí)間占據(jù)33%。

圖 2. WCDMA信號(hào)調(diào)制和1000mAh鋰離子電池條件下，使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通話時(shí)間分析

圖 3. WCDMA信號(hào)調(diào)制和1000mAh鋰離子電池條件下，使用和不使用 FAN5904的3G功率放大器的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間分析

圖2和圖3顯示了在不同輸出功率條件下一個(gè)3G PA分別在語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸模式下有、無(wú)FAN5904時(shí)所使用的工作時(shí)間的分析。在PA電源電壓設(shè)定在鄰近信道功率比(ACPR)為-39dBc時(shí)的值時(shí)， WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc，但是電流消耗將會(huì)增加，導(dǎo)致效率降低。

表2: 在WCDMA信號(hào)調(diào)制下使用 FAN5904時(shí)，通話時(shí)間和數(shù)據(jù)使用時(shí)間方面的改善

表2顯示了圖2和圖3的結(jié)果，以及功率放大器只工作于高功率模式下相應(yīng)的分鐘數(shù)。在HSUPA、CDMA200 1x EV-DO和 TD-SCDMA等不同信號(hào)調(diào)制模式下，電流消耗和通話時(shí)間都有類似的改善。這里把高功率模式工作的通話/數(shù)據(jù)使用時(shí)間一起顯示的原因是：新技術(shù)不僅得到了更多的分鐘數(shù)，從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，亦簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)工作。當(dāng)功率放大器具有多種功率模式時(shí)，固件必需適應(yīng)何時(shí)從一個(gè)等級(jí)切換到下一個(gè)等級(jí)，因?yàn)樵谡麄€(gè)輸出功率范圍內(nèi)，每個(gè)功率放大器的每種功率模式都存在獨(dú)特的VPA-POUT 曲線。由于現(xiàn)在大多數(shù)手機(jī)都支持至少三個(gè)頻段，這意味著滿足要求的系統(tǒng)中可能有三種3G功率放大器，所以增加了復(fù)雜程度。在處于一種功率模式的功率放大器中使用FAN5904，可以消除模式切換帶來(lái)的復(fù)雜性，更快地進(jìn)行功率放大器校準(zhǔn)，因?yàn)樾枰男?zhǔn)點(diǎn)較少。這樣就縮短了測(cè)試/校準(zhǔn)的時(shí)間，并且降低了制造成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖 4. POUT = 28dBm時(shí)3G功率放大器的熱成像

一個(gè)時(shí)常被忽視,但經(jīng)常遭到抱怨的參數(shù)是耗熱問(wèn)題。在手持電話貼近頭部進(jìn)行通話，使用手機(jī)網(wǎng)上沖浪或者玩在線網(wǎng)絡(luò)游戲時(shí)手機(jī)發(fā)熱，大多數(shù)用戶會(huì)因此而感到煩惱。問(wèn)題的關(guān)鍵在于,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)手機(jī)時(shí)必需將這一因素考慮在內(nèi)。圖4所示為某3G功率放大器的熱成像，其中，(a)為使用FAN5904來(lái)供電;(b)為直接與電池連接;(c)為電池以4.2V電壓充電。使用FAN5904時(shí)，在滿輸出功率情況下，功率放大器的溫度幾乎不可能達(dá)到50?C，在(b)和(c)的情況下，溫度很容易達(dá)到50?C和65?C，使用一段時(shí)間后，手機(jī)會(huì)很快發(fā)熱。在數(shù)據(jù)卡應(yīng)用中，尤其是3G USB調(diào)制解調(diào)器卡開(kāi)始流行，熱耗散，或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)熱耗散最小化變得十分重要。USB卡不能像手機(jī)那樣有效地散熱，因?yàn)樗捏w積非常小。由于3G調(diào)制解調(diào)器主要用于數(shù)據(jù)，功率放大器在大部分時(shí)間運(yùn)行于“發(fā)熱”狀態(tài)。減少這種熱量的最有效方式是使用諸如FAN5904的降壓轉(zhuǎn)換器。

FAN5904的一個(gè)關(guān)鍵特性是,支持3G功率放大器的6MHz開(kāi)關(guān)頻率和支持GSM/EDGE功率放大器模塊的3MHz開(kāi)關(guān)頻率，可以使用小體積的電感和電容。FAN5904使用1008規(guī)格(2.5mm x 2.0mm)的0.47?H電感，分別使用10?F 0603和2.2?F 0603電容作為輸入和輸出電容，實(shí)現(xiàn)占位面積很小的PCB解決方案，并且沒(méi)有影響降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

另一個(gè)常常被遺忘的參數(shù)是瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)需要在不同電壓之間進(jìn)行跳變，以便為功率放大器提供合適的輸出功率時(shí)，對(duì)各種無(wú)線協(xié)議而言，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間變得尤為重要。FAN5904以6MHz的頻率進(jìn)行切換時(shí)，具有非常短的10?s響應(yīng)時(shí)間 (如圖5所示)，完全滿足時(shí)隙間隔為25?s的WCDMA規(guī)范和IOPC 6.4.2規(guī)范要求。

圖 5. FAN5904在WCDMA模式中電壓跳變的上升和下降時(shí)間

在輸出功率需要從低水平變到高水平，或者從啟動(dòng)開(kāi)始，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為10?s。對(duì)于降壓穩(wěn)壓器而言，關(guān)鍵是使功率放大器滿足這些規(guī)范要求，避免出現(xiàn)通話中斷或者通話語(yǔ)音質(zhì)量不良的情況。由于用戶在不同的區(qū)域移動(dòng)，信號(hào)覆蓋情況或好或壞，雖然如此，通話中斷現(xiàn)象是用戶所不能容忍的。對(duì)于GSM/EDGE模式，F(xiàn)AN5904能夠在5?s內(nèi)完成電壓之間的跳變，滿足GSM規(guī)范。圖6所示為用于WCDMA和GSM/EDGE發(fā)送器的FAN5904時(shí)序圖。

圖 6. 用于WCDMA (a) 和GSM/EDGE (b) 發(fā)送器的FAN5904時(shí)序圖

在使用降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，我們關(guān)心的是開(kāi)關(guān)頻率如何影響RF性能，RF工程師極不愿意添加一個(gè)會(huì)對(duì)RF信號(hào)保真度(發(fā)送和接收兩個(gè)方面)造成潛在影響的器件。如前所述，F(xiàn)AN5904采用PWM或 PFM模式工作，分析顯示，兩者均不會(huì)對(duì)RF性能造成影響。圖7(a)所示為28.5dBm信號(hào)的發(fā)送CW(關(guān)閉調(diào)制以顯示接近中心的尖刺)，以及距右側(cè) 6MHz的標(biāo)記1。FAN5904產(chǎn)生的假性音調(diào)(spurious tones)水平很低，使得尖刺低于噪聲本底。圖7(b)所示為開(kāi)啟調(diào)制時(shí)的尖刺水平。這種尖刺很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Tx遮蔽水平。FAN5904具有6MHz 開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于該頻率遠(yuǎn)離信號(hào)頻率，并且位于5MHz的帶寬之外，轉(zhuǎn)換成位于WCDMA信號(hào)兩側(cè)的2.5MHz頻率。

圖 7. 在(a) CW調(diào)制和(b) WCDMA調(diào)制下，F(xiàn)AN5904在PWM模式下以6MHz的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)

或許在PFM模式下，我們更加關(guān)注的是尖刺會(huì)在哪里進(jìn)入信號(hào)調(diào)制。通過(guò)進(jìn)一步查看圖8(a)，在CW模式中，尖刺仍然在-40dBc以下，在8 (b)中，更重要的是該尖刺處于WCDMA調(diào)制遮蔽之下。

表3: 連接電源和FAN5904的3G功率放大器的EVM測(cè)量比較

表3列出了所測(cè)量的0dBm 和-45dBm (圖8中VPA 值接近VOUT_DCDC )輸出功率的EVM，比較使用電源和FAN5904為3G功率放大器供電的情況。兩列數(shù)值之間的差異很小，這清楚表明信號(hào)保真度的變化不大，不會(huì)影響RF 性能，遠(yuǎn)在WCDMA極限數(shù)值之下。

圖 8. 在(a) CW調(diào)制和(b) WCDMA調(diào)制下，F(xiàn)AN5904在PFM模式下以低于6MHz的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)

為了進(jìn)一步了解降壓轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的噪聲/尖刺情況，根據(jù)3G功率放大器自身的噪聲輸出，對(duì)接收頻段內(nèi)的噪聲進(jìn)行了測(cè)量和比較。圖9顯示在 28.5dBm的最高輸出功率下，來(lái)自FAN5904的尖刺水平實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于功率放大器的噪聲水平，表4顯示，來(lái)自FAN5904的噪聲在 -131.8dBm/Hz處最大，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于功率放大器自身的-90dBc。RF工程師可以放心，F(xiàn)AN5904在PWM和PFM模式工作時(shí)不會(huì)對(duì)蜂窩和其它RF頻譜的發(fā)送和接收頻段造成干擾。

圖 9. Rx 頻段中FAN5904相對(duì)于3G功率放大器噪聲的尖刺

表4: Rx 頻段中來(lái)自FAN5904的噪聲水平

最后一個(gè)重要特性是，F(xiàn)AN5904控制GSM/EDGE功率放大器模塊的能力在于將RF功率管理解決方案從FAN5904分離出來(lái)。在GSM/EDGE模式下，F(xiàn)AN5904具有3A的設(shè)計(jì)峰值極限電流，因而能夠控制電流高達(dá)2A的功率放大器模塊。在GSM/EDGE模式下，由于電流負(fù)載更大，F(xiàn)AN5904總是以PWM方式工作，因?yàn)镚SM和EDGE信號(hào)較 3G信號(hào)具有更高的輸出功率水平，因此它以3MHz的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。3MHz是合適的開(kāi)關(guān)頻率，因?yàn)樗挥赪CDMA通道帶寬之外，但是仍然可以使用小電感和小電容來(lái)處理更大電流負(fù)載，并使效率維持在高達(dá)95%的水平。人們可能要問(wèn)，為什么在該模式下不使用6MHz，這在設(shè)計(jì)上是不可行的，因?yàn)檩^大的電流負(fù)載會(huì)使開(kāi)關(guān)損耗更高，小型化解決方案帶來(lái)的好處在效率方面得不到補(bǔ)償。圖10和圖11顯示，在蜂窩設(shè)備處于GSM或EDGE模式下，使用FAN5904 可將電流降低100mA。

圖10. 在GSM 調(diào)制下，GSM/EDGE 功率放大器模塊的整個(gè)輸出功率范圍內(nèi)的FAN5904電池電流消耗

圖 11. 在EDGE 調(diào)制下，GSM/EDGE 功率放大器模塊的整個(gè)輸出功率范圍內(nèi)的FAN5904電池電流消耗

總之，F(xiàn)AN5904是針對(duì)2G到3.5G無(wú)線協(xié)議功率放大器而設(shè)計(jì)，并管理和滿足該功率放大器的嚴(yán)格功率要求。本文重點(diǎn)討論了WCDMA，值得注意的是，F(xiàn)AN5904能夠支持CDMA2000 1x EV-DO，以及在中國(guó)出現(xiàn)且快速發(fā)展的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA。該器件能夠幫助蜂窩設(shè)備制造商大幅降低功耗，從而降低系統(tǒng)溫度，延長(zhǎng)使用時(shí)間，以滿足用戶避免頻繁地為電池充電等要求。畢竟，沒(méi)有用戶愿意使用一個(gè)總是需要充電、發(fā)熱的智能手機(jī)，或者在打重要電話時(shí)發(fā)生掉電的智能手機(jī)。